Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технологических основ получения композиционного наноматериала на основе наноструктурированной матрицы титана и поверхностного биоактивного нанопокрытия для повышения механических и биомедицинских свойств имплантантов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноструктурированный титан, механические свойства, биоактивность поверхности, регулирование пористости, материалы, биосовместимость, биоактивное нанопокрытие, медицинский имплантант

Цель проекта:
Цель проекта: Разработка научно-технологических основ получения композиционного наноматериала на основе титана с биоактивным нанопокрытием, причем процесс получения основан на сочетании объемного наноструктурирования матрицы титана методом интенсивной пластической деформации и поверхностных биоактивных пористых нанопокрытий для повышения механических и биомедицинских свойств имплантантов. Основной задачей данного проекта является разработка комплексного подхода к синтезу композиционного наноматериала на основе титана с биоактивным нанопокрытием который позволит значительно повысить скорость приживления имплантатов. Улучшение механических свойств материала позволит миниатюризировать конструкцию имплантанта, что приведёт к снижению раневой поверхности и ускоренному остеосинтезу, а многокомпонентное текстурированное покрытие ускорит рост твёрдых тканей и не позволит инфицировать преимплантную область. Актуальность проекта: Разработка медицинских имплантантов с улучшенными функциональными свойствами позволит ускорить приживления имплантантов в тело человека. Такие материалы будут способствовать ускорению остеоинтеграционного и реабилитационного периода и приведут к сокращению сроков приживления имплантатов в 2 раза. Это приведёт к улучшению качества жизни человека и снижению времени реабилитации после операции.

Основные планируемые результаты проекта:
На данном этапе работ разработана методика получения наноструктурированной матрицы титана (нанотитана) с повышенными прочностными свойствами без снижения пластичности. Изготовлены экспериментальные образцы нанотитана с повышенными прочностными свойствами без снижения пластичности. Изучены условия синтеза титанорганических наноструктур щеточного типа на поверхности наноструктурированной матрицы титана. Синтезированы поверхностные титанорганические наноструктуры щеточного типа на поверхности наноструктурированной матрицы титана с включениями кальций-фосфатных структур. Изучены условия повышения гидрофобизации поверхности экспериментальных образцов нанотитана с титанорганическими наноструктурами на поверхности. Разработана методика синтеза нанотитана с титанорганическими наноструктурами на поверхности и изготовлены экспериментальные образцы. Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов нанотитана с биоактивным и биосовместимым пористым нанопокрытием. Исследованы экспериментальные образцы физическими методами с целью- определения условий получения наноструктур заданного химического состава и строения. Найдены условия химической модификации нанотитана (получения композитного покрытия), которые способствуют формированию ярко выраженного клеточного монослоя и высокими адгезионными свойствам поверхности для клеточной линии остеобластов МС3Т3-Е1.
Результатами реализации проекта станут: 1.Разработка научно-технического подхода к получению экспериментальных образцов композиционного наноматериала на основе нанотитана с биоактивным нанопокрытием для медицинских имплантантов;
2. Разработка лабораторной методики получения экспериментальных образцов композиционного наноматериала на основе нанотитана с биоактивным нанопокрытием для имплантантов с улучшенными биомедицинскими свойствами (ускоренная остеоинтеграция);
3. Разработка экспериментальных образцов изделия из композиционного наноматериала на основе нанотитана с биоактивным нанопокрытием с повышенными прочностными свойствами.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Из проведённого анализа современного состояния науки о материалах и, в частности, в области биосовместимых материалов следует, что переход к получению композиционного наноматериала на основе наноструктурированного титана с биоактивным нанопокрытием является магистральным подходом к синтезу основных классов биоматериалов, широко применяемых в современной стоматологии, реконструктивной хирургии и ортопедии. Большинство работ в России и в мире по наноструктурированию материалов посвящено использованию нанообъектов, полученных химическим путём или различными методами конденсации в условиях ограниченного роста. В нашей работе применён оригинальный метод создания структуры за счёт мощного механического воздействия на материал – интенсивная пластическая деформация. Разработка и применение данного метода для синтеза наноструктурного титанового материала приводит к улучшению конструкций и повышению механических свойств имплантатов. Важным требованием для создания имплантатов на основе титана является необходимость повышения биосовместимости имплантатов. Однако проблема выбора нанопокрытия с оптимальной структурой поверхности в контексте ускорения остеоинтеграционного и реабилитационного периода для имплантатов до сих пор не решена.
Большинство работ в России и в мире по созданию биосовместимых покрытий направлены либо на создание текстуры поверхности или нанесению соединений ускоряющих остеосинтез. Также существует ряд работ по созданию бактерицидных покрытий титана. Для модификации применяется ряд различных методов основанных на изменением геометрии поверхности или изменением химического состава поверхностного слоя. Наша работа объединит несколько направлений в одном покрытии с применением нового метода создания двухуровневой текстуры. Применение двухуровневой иерархии поверхности с регулируемой геометрией как на микро-, так и на наноуровне, в сочетании с введением промоторов остеоинтеграции в поверхностный слой может привести к успешному создание нового имплантата с ускоренной остеоинтеграцией. Таким образом, в данном исследовании присутствует научная новизна как в разделах объёмной, так и поверхностной модификации материалов.
Разрабатываемые титановые имплантанты должны обеспечить конкурентоспособность по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами: 1) предел выносливости титановых имплантантов после ─ 590 МПа и выше (по сравнению с применяемым в настоящее время передовым аналогом титанового имплантанта Чешской компании Timplant, Чехия ─ 350 МПа);
2) сроки вживления в костную ткань титановых имплантатов в течение 2 месяцев (по сравнению с применяемым в настоящее время передовым аналогом титанового имплантанта Чешской компании Timplant, Чехия от 4 до 6 месяцев).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемая технология получения композиционного наноструктурированного материала на основе наноструктурированного титана с биоактивным нанопокрытием может применяться в качестве нового поколения материалов для имплантантов применяемых в стоматологии, реконструктивной хирургии и ортопедии. Увеличение средней продолжительности жизни человека, а также быстрый прогресс в современной хирургии напрямую способствует формированию потребности людей в создании новых видов имплантантов. Проводимые нами разработки в области повышения механической прочности титана позволят уменьшить размер биомедицинского имплантанта, тем самым, снизят уровень повреждения тканей во время его введения в организм человека (например, имплантация зубов) и минимизируют отрицательные последствия послеоперационного периода. Улучшение функциональных свойств позволит повысить скорость приживляемости имплантантов в тело человека. Срок службы изделия при этом способен вырасти в 2 раза.
При изменении химического состава биоактивного нанопокрытия материал может применяться в качестве имплантанта замещающего минерализованные ткани других областей скелета.
В новых имплантантах заинтересованы сеть стоматологических клиник «Меди», ВНИИПМИ (г. Казань), ООО”Конмет” (г. Москва), а также другие предприятия и медицинские клиники.
Успешная реализация данного проекта может привести к созданию конкурентноспособного Российского рынка медицинских имплантантов.
Полученные экспериментальные результаты демонстрируются на российских инновационных выставках.

Текущие результаты проекта:
Основными результатами экспериментальной работы проекта являются: разработанная методика получения наноструктурированной матрицы титана (нанотитана) с повышенными прочностными свойствами без снижения пластичности и разработанная методика синтеза нанотитана с титанорганическими наноструктурами щеточного типа на поверхности для получения биоактивного нанопокрытия для улучшения биомедицинских свойств имплантантов. По разработанной методики были синтезированы образцы нанотитана с повышенными прочностными свойствами: предел прочности σВ > 1240 МПа, относительное удлинение ≥ 10%, предел выносливости образцов - 590 МПа. Микроструктура в прутке представляет собой зерна со средним размером 100 нм. Благодаря тому, что разрабатываемый в проекте нанотитановый эксперементальный образец имеет улучшенные механические характеристики, на его основе можно разрабатывать дентальные имплантанты нового типа с меньшим диаметром (до 2.4 мм).
Однако приживляемость имплантантов большей частью зависит не от свойств объёмного материала, а от свойств поверхности и наличию биосовместимых покрытий. В ряде работ показано, что важным фактором, влияющим на приживляемость остеобластов и рост костной ткани в целом, является структура поверхности (её шероховатость). Поэтому в проекте была поставлена ещё одна задача связанная с разработкой биосовместимых покрытий и возможностью направленно регулировать структуру поверхности имплантанта на наноуровне для улучшать биомедицинские свойства. На данный момент разработана методика синтеза композитного покрытия на нанотитане с титанорганическими наноструктурами щеточного типа на поверхности с включениями в качестве промоторов остеоинтеграции кальций-фосфатных структур.
Исследование синтезированных образцов показало, что при 20 циклах обработки ML–ALD нанотитана наблюдается полное перекрытие исходной поверхности синтезируемыми титанорганическими наноструктурами. Расстояние между наноструктурами от 75 до 200 нм; средний размер наноструктур 120 нм, высота шероховатости поверхности лежала в диапазоне от 75 до 200 нм. Поскольку высота кальций-фосфатных наноструктур составляет ~ 1нм, то их вкладом в изменения рельефа поверхности пренебрегали.
В работе проведена оценка адгезионных свойств композитного нанопокрытия на основе титанорганических наноструктур для клеточной линии остеобластов МС3Т3-Е1. Найдены условия химической модификации нанотитана (получения композитного покрытия), которые способствуют формированию ярко выраженного клеточного монослоя и высокими адгезионными свойствам поверхности для клеточной линии остеобластов МС3Т3-Е1. Показано что на образце нанотитана с титанорганическими наноструктурами щеточного типа на поверхности и с включениями кальций-фосфатных структур одновременно с адгезией наблюдается начальная дифференцировка клеток остеобластов. Это явление указывает на способность данной поверхности к ускоренному остеосинтезу.