Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование способов получения новых гибридных скэффолдов с контролируемой микроструктурой и пористостью для регенеративной медицины

Номер контракта: 14.587.21.0013

Руководитель: Сурменев Роман Анатольевич

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Организация докладчика: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
аддитивные технологии, скэффолды, модифицирование и функционализация поверхности, гибридные имплантаты, пористые конструкции, электронно-лучевое плавление, биосовместимые поверхности, биоматериалы, электронный пучок, плазма, электрохимический метод, остеосинтез, остеоиндуктивность, остеокондуктивность, нейрохирургия, челюстно-лицевая хирургия, травматология и ортопедия, онкология, детская хирургия

Цель проекта:
Целью проекта Разработка технологии получения с помощью аддитивных методов и доклиническая оценка гибридных скэффолдов на основе пористых, сетчатых композитов и сплавов титана, а также скэффолдов на основе биодеградируемых полимеров, предназначенных для коррекции патологии опорно-двигательной системы человека. Задачи проекта: -отработка технологии получения трехмерных скэффолдов на основе титана и его сплава ВТ 6 (Ti6Al4V), а также гибридных полимерных биодеградируемых скэффолдов с использованием методов трехмерной печати на основе поликапролактона, поли-3-гидроксибутирата и поли-3-гидроксибутирата-3-гидроксивалерата и их смесей с добавлением наночастиц стронций- или кремнийсодержащего гидроксиапатита. -отработка способов, контроля фазового и химического состава, микроструктуры скэффолдов, что обеспечит необходимые для успешного практического использования значения твердости, модуля Юнга, усталостной прочности, прочности на сдвиг. - разработка стабильных по фазовому составу полимерных биодеградируемых гибридных скэффолдов с микроструктурой и физико-механическими свойствами, максимально приближенными к костной ткани. -комплексная лабораторная оценка структуры разрабатываемых скэффолдов. -разработка способов модифицирования поверхности скэффолдов с использованием реактивной низкотемпературной ВЧ-плазмы и электронно-пучковой обработки. -оценка биосовместимости и дифференцировочной активности мезенхимальных стволовых клеток в модельных исследованиях in vitro. -оценка выраженности остеоинтеграции и остеокондуктивных характеристик разрабатываемых материалов и хирургических имплантатов на их основе в модельных исследованиях in vivo с использованием мелких лабораторных животных. -оценка результатов модельных исследований in vivo с помощью лабораторных тестов: томография области имплантации, рентгенологическая денситометрия, исследование гистологических срезов, биомеханическое исследование выраженности остеоинтеграции.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате реализации проекта будут отработаны новые перспективные технологии изготовления хирургических имплантатов на основе композиционных титановых и композитных полимерных носителей, полученных с помощью аддитивных методов с контролируемой пористой системой и повышенными остеоинтеграционными характеристиками, превосходящими по своей выраженности известные мировые достижения в области изготовления остеоинтегрируемых металлических или полимерных конструкций.
Проведение всего комплекса исследований по заявляемому проекту позволит прогнозировать более высокие эксплуатационные характеристики конечных изделий. снижение финансовой стоимости хирургического лечения пациентов с врожденной или приобретенной патологией опорно-двигательного системы.
Реализация цели и задач проекта позволят улучшить качество жизни, снизит процент послеоперационной инвалидизации, сократит время реабилитационного периода, снизит стоимость хирургического лечения пациентов, перенесших сложные оперативные вмешательства на опорно-двигательной системе.
Аддитивные технологии позволят получить персонализированные имплантаты на основе 3Д прототипирования с различными размерами, физико-механическими свойствами, а также пористостью.
Реализация проекта позволит получать персонализированные имплантаты с оптимальным соотношением цены и качества. Это обеспечит доступ к использованию высокотехнологических продуктов различным слоям населения России, которые в настоящее время в этом ограничены. Внедрение технологий в промышленность позволит не только улучшить качество жизни, но и сократить время реабилитационного периода, а значит сократить стоимость курса лечения.
Результаты НИР, в среднесрочной перспективе, обладают высокой перспективой коммерциализации и импортозамещения. Планируется существенно снизить зависимость России от импорта дорогостоящих зарубежных хирургических имплантатов. Полные аналоги объектов исследования данной НИР отсутствуют. Конкурентные преимущества разработанных имплантатов обеспечат возможность реализации разрабатываемых хирургических имплантатов на международном медицинском рынке.
Реализация проекта приведет к значительным прорывам в следующих сферах:
- научной: Благодаря проведению системы биологических исследований на генном, клеточном и тканевом уровнях, выявляющих роль и механизмы воздействия микроструктуры поверхности на нано- и микроуровнях и архитектоники трехмерных матриксов на процесс остеогенеза. Аналогичный комплекс исследований ранее не проводился ни в России, ни за рубежом.
- технологической: Благодаря разработке с использованием биомиметического подхода новых технологий синтеза функционализированных скэффолдов с биоактивной поверхностью, способствующей адгезии, миграции, пролиферации и направленной дифференцировке клеток, а также способов управления биологической активностью имплантатов путем модификации микроструктуры порового пространства.
- экономической: Вследствие усиления роли биомедицинской промышленности России, в частности, в области использования технологий получения перманентных или биодеградируемых имплантатов.
- социальной: Вследствие улучшения качества жизни и снижения послеоперационной инвалидизации пациентов, перенесших хирургическую коррекцию сложных сврожденных и приобретенных пороков опорно-двигательной системы пациентов, страдающих от различных поражений костной системы.
В ходе реализации проекта не будут использованы токсичные для окружающей среды и организма человека реагенты или материалы.
Зарубежные партнеры, привлекаемые к реализации отдельных задач проекта имеют большой авторитет в научной среде и опыт выполнения крупных международных проектов, что позволит реализовать на высоком уровне все цели и задачи проекта в установленные сроки.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
При современных радикально-восстановительных операциях в ортопедии и травматологии чаще всего используют костные аутотрансплантаты, подвергающиеся впоследствии перестройке и консолидации с костной тканью. Однако для их взятия необходимо дополнительное хирургическое вмешательство, при этом возможности получения трансплантата в достаточном количестве ограничены. В послеоперационном периоде в 16-40 % случаев после костной пластики обнаруживаются: резорбция, перелом трансплантатов, несращение их концов с ложем, нагноение в зоне пластики. Наиболее перспективными искусственными заменителями кости являются композитные (комбинированные) имплантаты, в которых трехмерный скэффолд играет роль механической опорной основы для миграции клеток-предшественников костной ткани и прорастания кровеносных сосудов, стимулируя процесс остеогенеза. Имплантаты из пористого металла имеют высокие прочностные и пластические характеристики, обладают износостойкостью, быстро ассимилируются, благодаря врастанию в поры новообразованной костной ткани. Вместе с тем изменения в мягких тканях, вызванные продуктами коррозии металлов, в отдаленном периоде могут привести к развитию воспалительных и гнойных осложнений, поэтому на первый план выдвигается вопрос поиска устойчивых к биологическому воздействию сплавов металлов и способов обработки их поверхности для повышения биосовместимости. Другим направлением является разработка биодеградируемых полимерных материалов, замещаемых новообразованной костной тканью в процессе регенерации. Важным моментом при разработке таких материалов является согласование скоростей резорбции материалов с темпами замещения их костной тканью и обеспечение их биосовместимости и остеоиндуктивных свойств. Данным проектом предполагается проведение исследований в обоих направлениях, с привлечением современных методов химического синтеза и модификации поверхности, аддитивных технологий, позволяющих формировать структуру порового пространства и обеспечивать регуляцию биологической активности скэффолдов. Предлагаемые разработки будут востребованы для проведения различных видов декомпрессивно-стабилизирующих операций при дегенеративных поражениях позвоночника (спондилодезе позвонков, импрессионных переломах и переломах зубовидного отростка аксиса), при радикально-восстановительных операциях (резекционных дефектах, остеомиелите) в ортопедии и траватологии, а также в челюстно-лицевой хирургии и дентальной имплантатологии.
Комплекс работ, который будет реализован в рамках настоящей НИР, приведет к отработке новых высокотехнологичных способов получения новых имплантатов, а также способов детерминированного наноструктурирования их поверхностных свойств, что приведет к разработке новых биокомпозитов, так-называемых “умных” 3D-скэффолдов следующего поколения, для медицинской практики. Предлагаемые разработки высоко востребованы в областях практического здравоохранения: нейрохирургия, травматология и ортопедия, челюстно-лицевая хирургия, детская травматология, стоматология, онкология, гематология.
Основные результаты проекта будут внедрены в образовательные курсы Томского политехнического университета по подготовке бакалавров по специальностям: 200300 – биомедицинская инженерия; 010700 – физика; магистров по направлениям: материаловедение и технология новых материалов, химическая технология неорганических веществ и материалов, физическая химия наноразмерных объектов в живых системах, физика конденсированного состояния вещества, физика кинетических явлений, пучковые и плазменные технологии, а также аспирантов по специальностям 01.04.07 – физика конденсированного состояния, 01.04.08 – физика плазмы, 01.04.04 – физическая электроника.
Совместно с иностранными партнерами планируется организовать не менее 2 защит кандидатских диссертаций (double PhD) по теме НИР.
Наиболее перспективные результаты для дальнейшей коммерциализации и импортозамещения, в частности, полученные в сотрудничестве с иностранными партнерами, будут запатентованы, причем патентообладателем будет выступать российская сторона.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основными потребителями ожидаемых результатов являются производственные и клинические учреждения, работа которых связана с разработкой или использованием различных медицинских имплантатов. Причем специфика работы этих учреждений может быть связана как с использованием разработанных в рамках данного проекта перманентных металлических или биодеградируемых композитных имплантатов на основе полимерных материалов, которые изготовлены с использованием технологий быстрого прототипирования.
Для доведения разработок до конечного потребителя при Томском политехническом университете создана необходимая инфраструктура, которая состоит из бизнес-инкубатора и центра трансфера технологий. Накопленный опыт, интеллектуальный потенциал позволит провести качественный маркетинговый анализ и определить потенциальные рынки сбыта. У этих подразделений установлены тесные контакты с основными промышленными предприятиями и клиническими организациями данной отрасли, которые уже проявили интерес к нашим разработкам и заинтересованы к проведению совместных мероприятий, связанных с получением необходимых разрешительных документов для широкого повсеместного использования предлагаемых разработок на практике.
Зарубежные партнеры, являющиеся участниками междисциплинарной команды, имеют большой опыт реализации проектов, направленных на внедрение полученных результатов НИР в промышленность. Этот опыт и установленные контакты с другими зарубежными коллегами будет использоваться для информирования широкой научной и промышленной общественности о результатах проекта за рубежом. Кроме этого, инфраструктура и опыт коммерциализации научных разработок наших партнеров, по-договоренности с ними будет использоваться и в рамках данного проекта.
Результаты проекта планируется опубликовать в ведущих российских и зарубежных изданиях, что позволит внести свою лепту в популяризацию научной деятельности как основополагающей для научно-технологического прогресса российской экономики.
Участие в проекте зарубежных коллег позволит осуществить обмен опытом с российскими участниками, в частности, молодыми перспективными учеными.

Текущие результаты проекта:
1.1 Отработаны способы получения трехмерных скэффолдов на основе сплава титана ВТ 6 (сетчатые или пористые), размера и пористости с использованием аддитивной технологии.
1.2 Проведена оптимизация структуры скэффолдов.
1.3 Отработаны способы получения трехмерных полимерных скэффолдов с добавлением частиц модифицированного гидроксиапатита.
1.4 Исследованы параметры топографии, морфологии, элементного и фазового состава сформированных имплантатов.
1.5 Проведена аттестация физико-химических и механических свойств поверхности трехмерных скэффолдов.
1.6 Определены числовые значения физико-механических свойств поверхности скэффолдов (исследование структуры, морфологии и элементного состава нано- и микротвердость).
1.7 Проведены исследования влияния пористой структуры изделий на их физико-механические свойства (прочность на сжатие или растяжение или сдвиг).