Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0221

Аннотация скачать
Постер скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0221
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Исследование и разработка 3-D нанокомпозитных биоконструкций для обеспечения жизненного цикла клеточного материала и регенерации биотканей.
Докладчик
Герасименко Александр Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Разработка технологии создания нанокомпозитных биоконструкций на основе белковой матрицы, импрегированной углеродно-нанотрубочным каркасом, методом послойного лазерного прототипирования.
2. Разработка метода электростимуляции роста хондробластов и остеобластов на 3-D нанокомпозитной биоконструкции на основе белковой матрицы, импрегированной углеродно-нанотрубочным каркасом.
3. Разработка и изготовление макета аппарата послойного лазерного прототипирования 3-D нанокомпозитных биоконструкций для формирования имплантационного наноматериала.
4. Разработка технологии лазерного сваривания 3-D нанокомпозитных биоконструкций с субхондральной костью и гиалиновым хрящом при высокой степени адгезии.
5. Разработка технологии формирования хрящевой ткани под воздействием дифференцирующих свойств матрицы на основе форменных элементов крови.
6. Разработка метода дифференцировки и пролиферации хондробластов и остеобластов в месте костно-хрящевого соединения при их колонизации на 3-D нанокомпозитную биоконструкцию.
7. Разработка метода и устройства для артроскопической пластики суставов с использованием действия лазерного излучения при создании 3-D нанокомпозитных биоконструкций.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность усовершенствования методов регенерации тканей и создания медицинских продуктов нового поколения для лечения и восстановления суставов человеческого организма значительна, поскольку повреждения костно-хрящевых соединений представляют серьезную опасность для здоровья пациентов и обеспечения нормального уровня их жизни.
К проблемам создания новых методов имплантирования элементов хрящевой костной ткани суставов относятся:
• отсутствие идентичного, генетически схожего материала для замещения любой структуры в организме человека;
• дефицитность синтетических материалов, эквивалентных по эластичности и механической прочности нативной биоткани.
Одной из важных причин неудовлетворительных результатов оперативного лечения таких повреждений является плохая биологическая интеграция существующих имплантационных материалов. Существует потребность в поиске принципиально новых путей решения этой проблемы, которые могут заключаться в использовании методов индустрии наносистем.
На преодоление данной проблемы направлены современные методы регенеративной медицины, к которым относится тканевая инженерия - метод частичного или полного восстановления физических и биологических функций поврежденных или утраченных органов путем стимуляции регенерации трехмерной структуры ткани. В основе концепции метода лежит создание искусственных матриц, обеспечивающих дифференциацию и пролиферацию клеток для обеспечения роста биологической ткани. Для выполнения своих функций такие матрицы должны быть биосовместимыми и биорезорбируемыми, иметь пористую структуру и механические характеристики, соответствующие восстанавливаемой биоткани.
Описание исследования

Предлагается решение проблем восстановления костно-хрящевых соединений и лечения заболеваний суставов за счет использования нового подхода формирования 3-D нанокомпозитных биоконструкций с помощью технологии послойного лазерного прототипирования. Суть технологии заключается в фазовом переводе белковой дисперсии углеродных нанотрубок в твердое состояние под действием непрерывного или импульсного лазерного излучения. Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают высокой механической прочностью, превосходным тепловыми и электрическими свойствами, а также имеют размеры, близкие к размерам основных компонент природного клеточного матрикса, их механические свойства подобны свойствам протеиновых структур.

При лазерном облучении белковой дисперсии УНТ, происходит формирование углеродно-нанотрубочного каркаса. Каркас создается электрическим полем направленного лазерного излучения. При плотности мощности излучения непрерывных или импульсных (фемтосекундных) лазеров с плотностью мощности излучения 10-20 Вт/см2, напряженности электрического поля света Еср = 5-10 кВ/м происходит ориентация УНТ и образование каркаса внутри белковой матрицы.

В процессе лазерного формирования 3-D нанокомпозитных биоконструкций с позиции связывания аминокислотных остатков белков (коллаген, альбумин) обеспечивается эффект оборачивания нанотрубок слоями белка, толщиной 20-40 нм. Этот процесс изначально математически моделируется посредством методов квантовой механики и молекулярной динамики и экспериментально демонстрируется с помощью электронной микроскопии высокого разрешения, спектроскопии комбинационного рассеяния и ИК спектроскопии. Предварительные расчеты энергии взаимодействия УНТ с молекулами белков указывают на диапазон 100-600 кДж/моль. Путем изменения точек присоединения атомов аминокислотных остатков белка к УНТ, можно варьировать их конфигурацию при воздействии лазерным излучением в различных режимах.

Фазовое состояние и структура 3-D нанокомпозитных биоконструкций, импрегированных углеродно-нанотрубочным каркасом, а следовательно, их твердость и эластичность варьируются в процессе получения и зависят от типа ткани восстанавливаемого участка костно-хрящевого соединения.

Наноинженерная технология послойного лазерного прототипирования 3-D нанокомпозитных биоконструкций осуществима за счет изготовления аппарата, оборудованного излучающей системой для воздействия на исходную дисперсию с целью формирования слоя биоконструкциий, импрегированной углеродно-нанотрубочным каркасом. Система трех координатного перемещения излучающей системы обеспечит площадное и объемное формирования имплантационного наноматериала. Для контроля температуры белков, с целью предотвращения их необратимой денатурации аппарат должен быть оснащен системой контроля и термостабилизации зоны формирования 3-D нанокомпозитных биоконструкций.

С помощью методики лазерного сваривания 3-D нанокомпозитных биоконструкций с костно-хрящевой тканью должно быть обеспечено восстановление наиболее востребованных дефектов субхондральной кости и гиалинового хряща. Должна быть разработана технология дифференцировки и выращивания клеточного материала хондробластов и остеобластов при их колонизации на 3-D нанокомпозитную биоконструкцию в месте костно-хрящевого соединения, а также проведены экспериментальные исследования доказывающие положительный результат. Разработка технологии регенерации ткани костно-хрящевых соединений под воздействием дифференцирующих свойств матрицы на основе форменных элементов крови обеспечит равномерную быструю биоинтеграцию 3-D нанокомпозитных биоконструкций. Результаты выполненных работ позволят создать новые виды научно-технической продукции и обеспечить вывод создаваемой продукции на отечественный и международный рынок наномедицинских продуктов и услуг.

Результаты исследования

В результате проведения ПНИЭР будут подготовлены научно-технические публикации, патентные заявки, диссертация на соискание научной степени и обеспечено участие в мероприятиях, демонстрирующих результаты работы, а также подготовлены следующие материалы:

 1. Промежуточные и заключительный отчеты содержащие: анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме; обоснование выбора направления исследований; результаты теоретических и экспериментальных исследований; обобщение и выводы.

2. Экспериментальные образцы продукции: 3-D нанокомпозитные биоконструкции для создания имплантационного наноматериала;  имплантационный наноматериал; макет аппарата послойного лазерного прототипирования 3-D нанокомпозитных биоконструкций для формирования имплантационного наноматериала (макет аппарата).

3. Лабораторный технологический регламент получения 3-D нанокомпозитных биоконструкций, имплантационного наноматериала.

4. Эскизная конструкторская документация на изготовление макета аппарата.

5. Методика создания 3-D нанокомпозитных биоконструкций на основе белковой матрицы (коллаген, альбумин), импрегированной углеродно-нанотрубочным каркасом с помощью метода послойного лазерного прототипирования.

6. Методика лазерного сваривания 3-D нанокомпозитных биоконструкций с субхондральной костью и гиалиновым хрящом при высокой степени адгезии.

7. Методика формирования хрящевой ткани под воздействием дифференцирующих свойств матрицы на основе форменных элементов крови.

8. Методика дифференцировки и пролиферации хондробластов и остеобластов при их колонизации на 3-D нанокомпозитную биоконструкцию в месте костно-хрящевого соединения.

9. Методика электростимуляции роста хондробластов и остеобластов, колонизированных на 3-D нанокомпозитную биоконструкцию.

10. Методика артроскопической пластики суставов лазерным методом с использованием имплантационного наноматериала на основе 3-D нанокомпозитных биоконструкций.

11. Стенд для проведения экспериментальных исследований комплекса физико-механических характеристик 3-D нанокомпозитных биоконструкций, имплантационного наноматериала.

12. Стенд для проведения экспериментальных исследований процессов лазерного сваривания 3-D нанокомпозитной биоконструкции с субхондральной костью и гиалиновым хрящом.

13. Стенд для проведения экспериментальных исследований процесса электростимуляции роста хондробластов и остеобластов, колонизированных на 3-D нанокомпозитную биоконструкцию.

14. Компьютерная математическая модель, описывающая послойное лазерное прототипирование 3-D нанокомпозитной биоконструкции.

15. Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации получаемой нанопродукции с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера.

16. Предложения и рекомендации по использованию разработанного научно-технического задела в реальном секторе экономики.

17. Проект ТЗ на проведение ОКР по результатам ПНИЭР.

 

Практическая значимость исследования
При использовании полученных научно-технических результатов в артроскопической пластике суставов и других костно-хрящевых соединений организма будет обеспечено:
• Замещение патологически измененной гиалиновой хрящевой ткани, повреждения которого в течение жизненного цикла организма практически не восстанавливаются.
• Повышение прочности регенерированных костно-хрящевых соединений до уровня, характерного для нативных тканей путем лазерного сваривания 3-D нанокомпозитных биоконструкций с субхондральной костью и гиалиновым хрящом.
• Улучшение остеокондуктивности на границе костно-хрящевых соединений при колонизации клеточного материала хондробластов и остеобластов.
• Увеличение скорости дифференциации и роста клеточного материала хондробластов и остеобластов за счет электрического стимулирования этих процессов.
Результаты проведенной работы найдут применение в учреждениях восстановительной медицины, таких как, Федеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный научно-исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени почетного академика Н.Ф. Гамалеи» Министерства здравоохранения Российской Федерации, Государственное бюджетное учреждение здравоохранения Московской области «Московский областной научно-исследовательский клинический институт имени М.Ф. Владимирского». Результаты работы будут использованы при создании нового типа имплантатов коленных суставов. Широкое применение результатов работы и масштабность их межотраслевого применения определяются актуальностью создания более совершенных имплантационных наноматериалов для лечения врожденных или приобретенных социально значимых заболеваний суставов и их востребованностью в лечебно-травмологических организациях здравоохранения.