Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0084

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0084
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет"
Название доклада
Разработка научно-технологических основ получения композиционного нанома- териала на основе наноструктурированной матрицы титана и поверхностного биоактивного нанопокрытия для повышения механических и биомедицинских свойств имплантантов
Докладчик
Земцова Елена Георгиевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного проекта является разработка научно-технологических основ получения композиционного наноматериала на основе титана с биоактивным нанопокрытием с повышенными механическими и биомедицинскими свойствами для изготовления имплантантов. Также целью нашей работ является снижение вероятности отторжения и срока приживления имплантата с твёрдыми тканями, что предполагается достичь за счёт использования новых материалов и создания биоактивных текстурированных покрытий. Разработка многокомпонентного текстурированного покрытия позволит создавать имплантанты с управляемыми биомедицинскими свойствами для их практического применения в травматологии и стоматологии.
Задачей проекта является разработка комплексного подхода к синтезу композиционного наноматериала на основе нанотитана с биоактивным нанопокрытием, которое позволяет значительно повысить скорость приживления имплантантов. Улучшение механических свойств материала позволяет миниатюризировать конструкцию имплантата, что ведёт к снижению раневой поверхности и также ускоряет остеосинтез.
Актуальность и новизна исследования
Увеличение средней продолжительности жизни, а также быстрый прогресс в современной хирургии требуют разработки нового поколения клинически значимых металлических биоматериалов (имплантантов) с ускоренным приживлением (улучшенными биоактивными и биосовместимыми свойства). Приживление имплантатов большей частью зависит не от свойств объёмного материала, а от свойств поверхности. Клиническая статистика показывает, что проблема отторжения актуальна даже для самых современных моделей имплантатов. Также остро стоит проблема огромного срока приживления, что влечёт за собой дискомфорт пациента. Основную роль в создании имплантатов нового поколения играет модификация поверхности металла различными методами обработки.
Большинство работ в России и в мире по созданию биосовместимых покрытий направлены или на создание текстуры поверхности (изменение геометрии) или изменении химического состава поверхностного слоя (нанесение соединений, ускоряющих остеосинтез). Однако проблема выбора нанопокрытия в контексте ускорения остеоинтеграционного периода для титановых имплантатов до сих пор не решена.
Наша работа объединяет несколько синтетических подходов которые позволяют создать нанопокрытия с двухуровневой текстурой поверхности. Регулирование геометрии как на микро-, так и на наноуровне, в сочетании с введением промоторов остеоинтеграции (кальций-фосфатные структуры) в поверхностный слой может привести к успешному созданию нового имплантата с ускоренной остеоинтеграцией.
Описание исследования

Для создания, изготовления и применения материалов на основе титана в качестве медицинских изделий существует необходимость их соответствия определенным требованиям. С одной стороны они должны быть биоактивными и биосовместимыми. С другой стороны, такие материалы медицинского назначения должны обладать значительной механической прочностью, особенно под действием циклических нагрузок, что важно для обеспечения долговечности изготавливаемых медицинских изделий.

В нашей работе применён оригинальный метод создания наноструктурированного титана за счёт мощного механического воздействия на материал – интенсивная пластическая деформация. Методом РКУП-Conform, в длинномерном полуфабрикате формируется структура, которая имеет средний размер зерен 100 нм, и высокий уровень механических характеристик. Установлено, что повышенный уровень механических характеристик обеспечивается особенностями формирующихся границ зерен и их высокой плотностью в структуре нанотитана. Такой метод обеспечивает значительное повышение механических свойств (в 2 раза) с сохранением пластичности материала. Разработка и применение данного метода для синтеза наноструктурного титанового материала приводит к миниатюризации конструкций и повышению механических свойств имплантатов.

В нашей работе в качестве метода синтеза нанопокрытий на поверхности нанотитана с улучшенными биомедицинскими свойствами. мы использовали метод молекулярного наслаивания (ML– ALD). Метод основан на проведении поверхностных химических реакций на поверхности выбранной подложки. Главным преимуществом метода является возможность получать наноструктуры (нанопленки) с высокой точностью (вплоть до ангстрем) и регулированием геометрию и шероховатость покрытия. Так же следует отметить высокую адгезию к поверхности подложки получаемых наноструктурированных покрытия. С учетом того, что металлические имплантаты (например, титановые зубные имплантаты) требуют создания сильно профилированной (шероховатой) поверхности на наноуровне, то метод (ML – ALD) является перспективным для синтеза биоактивных нанопокрытий.

В нашей работе также разработан комплексный подход к созданию биоактивного покрытия на нанотитановых носителях за счёт моделирования структуры оксидной пленки на нано и микроуровне, её состава, а также толщины покрытия в нанометровом диапазоне. В результате работы разработана методика получения нанопокрытий на основе диоксида титана с двухуровневой организацией рельефа поверхности, с неровностями на нано- и микроуровне золь-гель методом в режиме dip coating. Двухуровневная иерархия структуры поверхности на нанотитане реализуется за счет применения быстрой (шоковой) сушки проводимой в режиме hot plate 150 -5000С. Структура на микронном уровне, возникающем за счет эрозии изначально сплошной пленки, а на наноуровне – за счет зернистости самой пленки. Также разработано нанопокрытие с кальций фосфатными структурами в порах ксерогеля TiO2, которая позволяет в совокупности с синтезом плёнки TiO2, получать композитные покрытия TiO 2/аморфные кальций фосфатные структуры для дальнейших биомедицинских исследований.

Структура поверхности и химический состав нанопокрытия изучался с помощью атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и ЭСХА. Были проведены исследовательские испытания in vitro экспериментальных образцов. Исследовали влияние структурных характеристик экспериментальных образцов на уровень адгезии, пролиферации и скорости дифференцировки остеобластов МС3Т3-Е1.

Исследование остеосовместимости полученных образцов со слоем TiO2 проводили в сравнении с образцом титана с собственным (реальным) оксидом титана.

Оценку состояния клеток (характера адгезии и распластывания клеток на поверхности образцов) выполняли с помощью метода сканирующей электронной микроскопии.

Результаты исследования

Разработана методика получения наноструктурированной матрицы титана (нанотитан) с повышенными прочностными свойствами без снижения пластичности.

По разработанной методике были синтезированы образцы нанотитана с повышенными прочностными свойствами: предел прочности σВ > 1240 МПа, относительное удлинение ≥10%, предел выносливости образцов после 10 6 циклов с-1 >590 МПа. Микроструктура в прутке представляет собой зерна со средним размером 100 нм. Благодаря тому, что разрабатываемый в проекте экспериментальный образец имеет улучшенные механические характеристики, на его основе можно разрабатывать дентальные имплантаты нового типа с меньшим диаметром (до 2.4 мм).

Разработана методика синтеза нанотитана с титанорганическими наноструктурами на поверхности. Биомедицинские исследования показали, что получаемое композитное покрытие с шероховатостью поверхности лежащей в диапазоне от 75 до 200 нм и со средним размер наноструктур 120 нм способствует формированию ярко выраженного клеточного монослоя и обладает высокими адгезионными свойствам поверхности для клеточной линии остеобластов МС3Т3-Е1. Показано, что на образце нанотитана с титанорганическими наноструктурами на поверхности и включениями кальций-фосфатных структур, одновременно с адгезией наблюдается начальная дифференцировка клеток остеобластов. Это явление указывает на способность данной поверхности к ускоренному остеосинтезу.

Изучены механические свойства экспериментальных образцов нанотитана с оксидными нанопокрытиями на поверхности. На основании анализа механических свойств экспериментальных образцов было установлено, что синтезированные покрытия не приводят к деградации механических характеристик нанотитана.

Разработана методика синтеза экспериментальных образцов нанотитана с пористыми мезоструктурированными пленками TiO2 на поверхности с включениями кальций-фосфатных структур. Проведены исследования экспериментальных образцов физическими методами с целью определения условий получения нанопокрытий заданного химического состава и строения. Установлено, что модификация поверхности пористыми мезоструктурированными пленками TiO2 с толщиной до 180 нм, с размером нанопор от 5 нм до 20 нм и микрорельефом является оптимальной для стимуляции не только пролиферации клеток МС3Т3-Е1, но и их дифференцировки в остеогенном направлении. Согласно ряду публикаций [1-3] наличие шероховатости поверхности, как на микро-, так и на наноуровне играет ключевую роль в регуляции процессов адсорбции на поверхности имплантата остеобластов.

Также исследовано влияние структурных характеристик экспериментальных образцов на скорость пролиферации, адгезии и дифференцировки клеток остеобластов МС3Т3-Е1. Изучение адгезионной активности клеток MC3T3-E1 показало, способность клеток остеобластов МС3Т3-Е1 к адгезии более 85% за 72 часа.

Полученные данные свидетельствуют об отсутствии цитотоксичности используемых вариантов покрытия и соответствуют раннее опубликованным данным других исследовательских групп [2,3].

Литература.

1. Qizhi Chen, George A.Thouas , Metallic implant biomaterials, Materials Science and Engineering R., 2015, 87.

2. Geetha, M., Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants. A review. Prog. Mater. Sci., 2009, 54, 397–425.

3. Dalby M.J., McCloy D., Robertson M., Wilkinson C.D.W., Oreffo R.O.C.  // Biomaterials 2006 V. 27 P. 1306–1315.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемая технология получения композиционного наноматериала на основе нанотитана с биоактивным
нанопокрытием, а также сам материал, может применяться для получения имплантантов нового поколения используемых в
стоматологии, реконструктивной хирургии и ортопедии. При изменении химического состава биоактивного нанопокрытия
материал может применяться в качестве имплантата замещающего минерализованные ткани разных областей скелета.
Успешная реализация данного проекта и разработка иплантатов нового поколения для стоматологии может привести к
созданию конкурентноспособного Российского рынка медицинских имплантатов.
Презентация

Presentation_14.604.21.0084_2016.ppt