Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0083

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0083
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка принципов создания биосовместимых полимерных нанокомпозитов с программируемыми характеристиками для эндопротезирования крупных суставов
Докладчик
Максимкин Алексей Валентинович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка подходов и способов получения биосовместимых полимерных нанокомпозиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), с программируемыми характеристиками для эндопротезирования крупных суставов.
Для выполнения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- провести анализ научно-технической литературы и патентных исследований по полимерным нанокомпозиционным материалам, применяемым в эндопротезировании и имплантологии в целом;
- разработать методику введения нанодисперсного наполнителя в СВМПЭ;
- отработать режимы формования нанокомпозиционных материалов на основе СВМПЭ с изотропной структурой;
- разработать способы формирования экспериментальных образцов на основе СВМПЭ с ориентированной структурой;
-разработать методику формования нанокомпозиционных материалов с ориентированной структурой на основе СВМПЭ;
- провести механические, трибологические и структурные исследования разработанных материалов;
- изучить особенности формирования надмолекулярной в СВМПЭ и нанокомпозиционных материалов на его основе в зависимости от методов формования;
- выявить закономерности проявляемых механических и трибологических свойств разработанными материалами в зависимости от структуры и содержания наполнителя;
- провести комплекс исследований in vivo и in vitro на образцах, продемонстрировавших наилучшие свойства.
- изготовить оснастку и получить экспериментальные образцы полимерных вкладышей ацетабулярного компонента эндопротеза;
- провести натурные испытания полимерных вкладышей ацетабулярного компонента эндопротеза;
Актуальность и новизна исследования
Согласно данным исследования российского рынка эндопротезов (INPHARMACIA, 2011 г.), Россия практически безвозвратно утратила свои позиции в сфере их производства, и сейчас намного отстает от мирового уровня. При этом, несмотря на высокий мировой уровень развития технологий в эндопротезировании, врачи придерживаются мнения, что в настоящее время идеальных протезов не существует. Основной проблемой всех эндопротезов даже при современном уровне развития технологий остается низкая изностойкость, которая определяет срок службы всего эндопротеза. В настоящее время срок службы эндопротезов не превышает 10-15 лет.
Для увеличения срока службы эндопротезов нами были впервые разработаны полимерные вкладыши ацетабулярного компонента эндопротезов тазобедренного сустава на основе СВМПЭ. Эти вкладыши армированы МУНТ, которые увеличивают износостойкость материала. Также СВМПЭ имеет ориентированную структуру, которая кардинальным образом меняет комплекс механических и трибологических свойств. Разработанные полимерные вкладыши ацетабулярного компонента эндопротезов тазобедренного сустава удовлетворяют требованиям ГОСТ 31621-2012.
Разработка новых композиционных материалов на основе высокопрочных полимеров является фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлен настоящий проект. Полимер и композиционные материалы относятся к приоритетным направлениям развития науки и технологий и входят в перечень критических технологий Российской Федерации.
Описание исследования

В качестве матрицы биосовместимых полимерных нанокомпозиционных материалов был выбран сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Выбор СВМПЭ основан на хорошей биосовместимости этого полимера и его высоких механических и трибологических свойствах. В качестве наполнителя были использованы многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ). Углеродные нанотрубки уже давно зарекомендовали себя в качестве эффективных наполнителей для различных полимерных, металлических и керамических композиционных материалов. Размеры нанотрубок очень близки к размерам макромолекул полимеров, что открывает большие возможности для регулирования надмолекулярной структуры полимеров и благоприятно влияет на формирование межфазных взаимодействий. Высокое аспектное соотношение нанотрубок делает их перспективными для регулирования ориентации кристаллической структуры у аморно-кристаллических полимеров, за счёт направленной кристаллизации полимера на поверхности наполнителя.

Введение МУНТ в СВМПЭ осуществлялось методом твердофазного смешения, с использованием мельниц планетарного типа АПФ-3. Формование нанокомпозиционных материалов с изотропной структурой осуществлялось методом термопрессования, при давлении  P = 60 МПа и температуре Т=180 0С.

Получение нанокомпозиционных материлов с ориентированной структурой осуществлялось в несколько этапов, рисунок 1. На первом этапе методом термопрессования были получены монолитные нанокомопзиционные материлы с изотропной структурой. Температуроа прессования составляла 180 С, давление 25 МПа. Время выдержки при температуре 180 С составляло 30 минут. Затем пресс-форма при постоянном давления 25 МПа, медленно охлаждалась на воздухе. На вторым этапе были получены ориентированные прекурсоры нанокомпозитных материалов методом одноосной низкоориентационной вытяжки при комнатной температуре. Степень ориентирования была равна λ=3.

На третьем этапе ориентированные прекурсоры формовались в ориентированные нанокомпозиционные материалы методом повторного термопрессования. Для достижения наилучших свойств термопрессование прекурсоров происходило в диапазоне температур от начала температуры плавления до температуры пика плавления СВМПЭ. В результате были получены ориентированные нанокомпозиционные материалы армированные МУНТ, с массовой долей наполнителя 0,1..2 % масс.

Для всех типов материалов были проведены структурные исследования, а также механические и трибологические испытания, которые позволили установить характер формируемой надмолекулярной структуры и её влияние на проявляемые свойства материала.

Рисунок 1 - Схема формирования ориентированных нанокомпозиционных материалов на основе СВМПЭ

Биологические исследования свойств разработанных нанокомпозиционных материалов производились in vitro и in vivo. In vitro была исследована гемолитическая активность и изучено изменение жизнеспособности лейкоцитов крови, вследствие контакта с испытуемыми образцами. Оценка развития острой реакции отторжения и воспаления реципиента на внедрение экспериментальных образцов была проведена в исследованиях «in vivo» на экспериментальной модели имплантации в подкожную клетчатку мелких лабораторных животных. Исследования выполнялись на половозрелых самцах крысы линии «Wistar» массой 250 грамм,

Для изготовления экспериментальных образцов полимерных вкладышей ацетабулярного компонента эндопротеза была сконструирована и изготовлена спецоснастка. На основе полученного массива данных были выбраны нанокомпозиционные материалы, обладающие наилучшим комплексом физико-механических свойств. Из этих материалов были изготовлены экспериментальные образцы полимерных вкладышей ацетабулярного компонента с концентрацией МУНТ 1% масс. Натурные испытания полимерных вкладышей ацетабулярного компонента были проведены с соответствии с ГОСТ 31621-2012.

Результаты исследования

Были разработаны нанокомпозиционные материалы с ориентированной структурой на основе СВМПЭ и МУНТ. Полученные экспериментальные образцы обладают рекордными значениями по механическим и трибологическим свойствам среди объёмных материалов на основе СВМПЭ, таблица 1. Улучшение свойств было достигнуто за счёт формирования уникальной нанофибриллярной структуры в ориентированных нанокомпозиционных материалах, рисунок 2. Причиной появления нанофибриллярной структуры в СВМПЭ являются МУНТ. Отсутствие нанотрубок в СВМПЭ приводит к образованию ориентированной структуры без присутствия нанофибрилл. Предложенная технология получения объёмных ориентированных нанокомпозитов создаёт условия для кристаллизации СВМПЭ на поверхности нанотрубок в виде складчатой (ламеллярной) структуры, которая имеет большую предрасположенность к вытяжке (распрямлению). В процессе вытяжки, проведённой на втором этапе получения ориентированных нанокомпозитов, нанотрубки претерпевают значительные перемещения вместе с макромолекулами UHMWPE, что приводит к трансформации ламеллярной структуры, полученной на поверхности МУНТ в нанофибриллярную. 

Таблица.1 Механические и трибологические свойства полученных материалов.

Материалы

Предел прочности,

 МПа

Модуль упругости,

 МПа

Относительное удлинение, 

%

Износостойкость,

h/L

СВМПЭ

22±2

700±17

>200

5.3∙10-9

ориентированный не наполненный СВМПЭ

94±9

767±11

71±4

3.62∙10-9

ориентированный СВМПЭ+0.1% МУНТ

103±10

897±35

78±20

3.60∙10-9

ориентированный СВМПЭ+0.5% МУНТ

122±2

867±61

48±3

3.43∙10-9

ориентированный СВМПЭ+1% МУНТ

132±0.3

919±10

53±5

3∙10-9

Рисунок 2 - а) ламеллярная структура изотропного СВМПЭ и б) нанофибриллярная структура ориентированных нанокомпозитов

Исследования in vitro показали, что во всех проведенных пробах значение гемолиза составило ниже 2 процентов, т.е. разработанные ориентированные нанокомпозиты свободны от гемолитически действующих веществ. Значение индекса цитотоксичности экспериментальных образцов ниже 10 %. Исследования in vivo показали, что экспериментальные образцы полимерных нанокомпозитов могут быть использованы для изготовления полимерных вкладышей ацетабулярного компонента эндопротеза тазобедренного сустава, так как в ходе проведения исследований не было обнаружено острой реакции отторжения и воспалительных реакций.

На рисунке 3 представлена фотография изготовленных полимерных вкладышей ацетабулярного компонента эндопротеза тазобедренного сустава. Проведённые натурные испытания пары трения ацетабулярный компонент, выполненный из нанокомпозиционного материала, – головка эндопротеза, выполненная из сплава Co-Cr-Mo , испытанные в соответствии с ГОСТ 31621-2012, имеют следующие характеристики:

- момент трения 1,3 Н∙м;

- отсутствуют видимые следы износа поверхности трения ацетабулярного компонента;

- срок службы ацетабулярного компонента более 10 лет;

Рисунок 3 - Фотография экспериментальных образцов полимерных вкладышей ацетабулярного компонента эндопротеза тазобедренного сустава

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые материалы в первую очередь предполагается использовать в производстве эндопротезов тазобедренного и коленного суставов.
На сегодняшний день около 25 млн. человек в мире носят различные эндопротезы, не считая стоматологических имплантатов (последние носит половина населения земного шара). Но потребность в эндопротезировании удовлетворена еще не полностью. По экспертным оценкам, в России реально выполняется около 50 тыс. операций по эндопротезированию в год при потребности 300 тыс.
Результаты проведенной ПНИЭР могут быть использованы для проведения опытно-технологических работ, направленных на создание технологии серийного производства нанокомпозиционного материала на основе СВМПЭ с ориентированной упрочненной структурой;
Полученные результаты могут быть использованы в различных областях медицины и ветеринарии в частности, в восстановительной хирургии, травматологии.
Конкурентными преимуществами разработанного материала узла трения будет его надежность в процессе эксплуатации за счет сочетания высоких механических и трибологических характеристик.
Постер

0083_NZH.ppt