Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0081

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0081
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Название доклада
Разработка биосовместимых биоразлагаемых наноструктурированных полимерных и нанокомпозиционных материалов и изделий для использования в общей и реконструктивно-пластической хирургии, травматологии, ортопедии
Докладчик
Чвалун Сергей Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью ПНИ является разработка биоразлагаемых наноструктурированных материалов и изделий на основе полилактонов с регулируемыми механическими характеристиками и сроками биодеградации.
Основные задачи исследования:
- Разработка методов получения наноструктурированных биоразлагаемых материалов и крепежных изделий на основе полилактонов с регулируемыми свойствами. Исследование влияния химического и изомерного состава полилактонов, их молекулярной структуры и надмолекулярной организации, а также введения в них наполнителей на механические характеристики материалов и сроки их биодеградации. Углубленное изучение структуры материалов с применением источника синхротронного излучения.
- Разработка лабораторного регламента получения биоразлагаемых крепежных изделий 2-х видов (винты и пины). Наработка и исследование экспериментальной партии образцов в соответствии с Программой испытаний и Планом медико-биологических испытаний.
- Определение биосовместимости разработанных наноструктурированных материалов и изделий. Исследование биосовместимости in vitro и in vivo. Проведение гистологических исследований образцов тканей, биохимического анализа крови, определение иммунологических показателей.
- Анализ коммерческих перспектив полученных результатов и разработка рекомендаций по внедрению результатов в практику. Разработка проекта ТЗ на ОТР, проведение маркетинговых исследований, разработка бизнес-плана по организации пилотного производства крепежных изделий для остеосинтеза.

Актуальность и новизна исследования
Развитие современной медицины требует разработки новых функциональных материалов со специальными свойствами. В последние десятилетия происходит активное внедрение широкого круга изделий и систем на основе биоразлагаемых материалов. Перспективными разработками являются скаффолды для культивирования клеток, нетканые материалы для ожоговых и раневых повязок, различные системы направленной доставки и пролонгированного высвобождения лекарств. Актуальным направлением является использование биоразлагаемых материалов для производства медицинских изделий, изготавливаемых традиционно из различных металлов и других недеградируемых материалов. Такой подход, в первую очередь, интересен для изготовления медицинских изделий, выполняющих свою функцию ограниченное время, поскольку исключается необходимость проведения повторной операции для удаления изделия. Биоразлагаемые фиксирующие изделия постепенно замещают металлические аналоги в травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии. Однако более низкие, по сравнению с металлическими изделиями, физико-механические характеристики ограничивают их область применения. В настоящее время биоразлагаемые винты используются преимущественно для лечения переломов костей и суставов, не несущих высокой нагрузки: кисти, стопы и др. Для расширения областей применения биоразлагаемых изделий для остеосинтеза были разработаны наноструктурированные композиционные материалы с повышенными механическими характеристиками и контролируемыми сроками деградации. Для улучшения остеоиндуктивных и остеоинтеграционных свойств изделий в качестве наполнителей использованы такие биоактивные добавки как гидроксиапатит и трикальций фосфат.
Описание исследования

Проведены детальные исследования кинетики полимеризации лактида и его сополимеризации с гликолидом методом дифференциальной сканирующей калориметрии (рисунок 1). Они позволили установить оптимальные режимы синтеза полимеров с регулируемой структурой и свойствами. Исследовано влияние молекулярной и надмолекулярной структуры полилактонов на их механические и теплофизические свойства.

Рисунок 1 - Термограммы и кинетические кривые полимеризации D,L-лактида. 

Предложено несколько подходов, позволяющих получить наноструктурированные композиционные материалы на основе полилактонов и кальций фосфатов различного вида. Для прививки полилактида на поверхность гидроксиапатита использован метод механической активации. Полученный наполнитель с модифицированной поверхностью обладает улучшенной совместимостью с гидрофобной матрицей полилактида. Это позволяет существенно повысить степень диспергирования гидроксиапатита в композиционном материале. Разработан лабораторный регламент, в соответствии с которым изготовлена и комплексно охарактеризована партия экспериментальных образцов наноструктурированных крепежных изделий (винтов и пинов). Для изучения биосовместимости и биодеградации экспериментальных образцов проведены медико-биологические испытания in vitro и in vivo на двух видах животных. Для детального исследования структуры композиционных материалов проведен рентгеноструктурный анализ с привлечением источника синхротронного излучения (ЦКП «Курчатовский источник синхротронного излучения»).

Результаты исследования

Показана возможность «управлять» механическими свойствами и сроками биодеградации материалов путем изменения молекулярной структуры и надмолекулярной организации материалов. Получены композиционные материалы на основе полилактида и гидроксиапатита с различной степенью наполнения: 3, 5 и 20 %. Подобраны условия, позволяющие диспергировать наполнитель на субмикронном уровне, что выгодно отличает разработанные материалы от зарубежных аналогов, в которых частицы наполнителя имеют микронный размер. Показано, что такая высокая степень диспергирования наполнителя приводит к значительному повышению физико-механических характеристик композиционного материала по сравнению с чистым полимером. Если изделия из чистого полилактида характеризуются модулем упругости на изгиб 3,8 ГПа и максимальным напряжением 102 МПа, то для разработанных композиционных материалов эти значения возрастают до 6,3 ГПа и 141 МПа соответственно. Такой уровень прочности характеристик близок к параметрам кости. Дальнейшее упрочнение винтов может привести к негативному эффекту "stress-shielding", который иногда наблюдается при использовании металлических винтов. Исследование биосовместимости in vitro показало, что жизнеспособность клеток на образцах композиционных материалов превышала аналогичный показатель для чистого полилактида. Это может связано с нейтрализацией наполнителем кислых продуктов деградации. Разработан лабораторный регламент получения биоразлагаемых крепежных изделий, в соответствии с которым изготовлены экспериментальные образцы пинов и винтов, в том числе композиционных, для лечения переломов и травм. Доступ исполнителя к этой установке  - источнику синхротронного излучения позволил обеспечить научно-технический уровень исследований в некоторых областях исследования выше международного. На станции рентгеновской микротомографии проведена визуализация полученных изделий непосредственно в костях животных. На станциях "БЕЛОК" и "ДИКСИ" выполнено детальное исследование надмолекулярной структуры разработанных материалов и изделий, в том числе в процессе нагревания in situ.

Рисунок 2 - Экспериментальные образцы наноструктурированных композиционных винтов (а), фоторентгенограмма материала (б) и реконструированная 3D-модель изделия в губчатой кости, полученная методом микротомографии (в).

Медико-биологические испытания экспериментальных образцов пинов и винтов, проведенных на крысах и кроликах показали, что изделия на основе разработанных композиционных материалов не вызывают отрицательной реакции организма, а сроки их биодеградации зависят от структуры и химического состава материала и варьируются от 6 до 15 месяцев.

Практическая значимость исследования
Новые наноструктурированные биоразлагаемые материалы и изделия на их основе будут использованы в общей и реконструктивно-пластической хирургии, травматологии, ортопедии. После осуществления промышленного изготовления разработанных материалов и изделий они найдут применение в хирургических клиниках, центрах репаративного восстановления органов и тканей, травмопунктах. Результаты работы будут обладать прогнозируемым социально-экономическим эффектом, выражающимся в уменьшении сроков реабилитации послеоперационных больных, сокращении количества койко-мест в больницах вследствие отмены повторных хирургических вмешательств, неизбежных при использовании нерассасывающихся имплантатов. При внедрении полученных результатов в практику повысится качество и эффективность лечения травм и переломов, не будет необходимости в импорте крепежных изделий иностранных производителей.