Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0088

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0088
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка пористых полимерных биоинженерных конструкций с биоактивным компонентом для тканевой инженерии с использованием технологий 3D печати.
Докладчик
Сенатов Фёдор Святославович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка пористых биоинженерных конструкций для возмещения дефектов костной ткани с использованием технологий 3D-печати для восстановления костных дефектов путем осуществления регенерационного подхода.
Необходимые свойства для реконструкции дефектов костной ткани должны обеспечиваться за счёт создания пористого трехмерного каркаса на основе биосовместимого полимера (полилактида) и нанокерамики (гидроксиапатита), сочетающего в себе механическую прочность и биосовместимость. Использование метода 3D-печати должно обеспечить возможность соответствия трехмерной конструкции анатомическим особенностям поврежденной ткани.
Актуальность и новизна исследования
По статистике переломы костей занимают второе место в структуре травматизма по обращаемости населения за медицинской помощью, что составляет 1 246 000 случаев в год среди взрослого населения (ЦИТО им. Н.Н. Приорова). При этом, потребность в восстановлении костных дефектов в челюстно-лицевой хирургии составляет от 37 до 99 тысяч случаев в год, а от 10% до 20% операций требуют ревизии.
Регенеративная медицина нуждается в создании и использовании новых типов костных имплантатов, которые имели бы архитектуру и механические характеристики, соответствующие костной ткани, обладали биологической активностью и способствовали восстановлению костных дефектов. Новизна разработанных биоинженерных конструкций заключается в сочетании ММСК и биоактивного компонента для обеспечения остеогенности, и заселяемого ими каркаса, формируемого с заранее смоделированной архитектурой для обеспечения остеокондуктивности, выполненного из полимерного композита с механическими свойствами, близкими к губчатой костной ткани.
Описание исследования

Установлены основные особенности структуры и свойств нанопорошка ГАП как компонента биосовместимого каркаса для тканевой инженерии. Проведены структурные и медико-биологические исследования in vitro. Процесс получения биосовместимого материала заключается в трех основных этапах: механоактивационное смешивание, сушка, экструдирование нити.

В ходе выполнения работ выбран оптимальный биоактивный наполнитель ГАП со средним размером частиц 90 нм. При испытании экспериментальных образцов ПЛА/ГАП на разрыв показано, что увеличение массовой доли ГАП в матрице ПЛА приводит к существенному росту модуля Юнга до 4 ГПа. Предел прочности био-совместимого материала более 50 МПа.

Были проведены экспериментальные исследования технологического процесса получения биосовместимого каркаса. Оптимальная пористая 3D-модель была ис-пользована для осуществления 3D-печати FFF-методом в разных режимах биосов-местимого каркаса методом послойного наплавления нитей состава ПЛА/15%ГАП. Процесс получения биосовместимого каркаса заключается в пяти основных этапах: формировании 3D-модели, сушки биосовместимого материала, 3D-печати методом послойного наплавления нити, УЗ-обработки и сушки.

По данным РФА и ДСК материал биосовместимого каркаса представлен преимущественно аморфной фазой ПЛА с незначительным количеством кристаллической фазы и кристаллической фазой ГАП. Модуль упругости при сжатии каркаса с объемной пористостью 50 % и средним размером пор 700 мкм, полученный методом 3D-печати, составляет более 2.5 ГПа, что является положительным результатом, так как важнейшей характеристикой материала при его функционировании в качестве имплантата является близость модуля упругости к модулю упругости костной ткани. Пористый каркас может функционировать без изменения структурных и механических характеристик до 50 °С. Проведенные исследования in vivo морфологических, лабораторных и иммунологических параметров позволили установить, что внедрение экспериментальных образцов биосовместимого каркаса при гетеротопной трансплантации не приводило к эскалации реакций отторжения или воспаления как местного, так и системного характера.

Проведены структурные испытания экспериментальных образцов трехмерных конструкций, заселенных мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками (ММСК), методами микроскопии и ДСК анализа, показавшими стабильность структуры и геометрии при воздействии циклических нагрузок при 21 МПа. Модуль Юнга конструкций после инкубации – 1477 МПа. Деградация образцов в сыворотке крови и под воздействием микроорганизмов составила менее 1 % за месяц. Оценка биологического отклика клеточной культуры in vitro при контакте с тестируемыми образцами продемонстрировала цитокондуктивность. Максимальная адгезия ММСК наблюдалась при толщине печатного слоя 150 мкм.

Результаты исследования

Разработанная индивидуализированная полимерная биоинженерная конструкция для замещения малых слабонагруженных костных дефектов, формируемая методом
3D-печати имеет следующие преимущества по сравнению с металлическими и керамическими имплантатами, а также ауто- и аллотранспланатами:

  • Ускоренное выполнение имплантата заданной геометрии под форму конкретного костного дефекта;
  • Возможность постепенного рассасывания материала имплантата и замещения его костной тканью;
  • Использование собственных клеток пациента для ускорения интеграции;
  • Не требует дополнительной обработки (депротеинизации);
  • Отсутствие дополнительного хирургического вмешательства при имплантации;
  • Механические свойства, близкие к свойствам трабекулярной кости (модуль Юнга более 2.5 ГПа)
  • Высокая пористость и заданный размер пор, способствующие пролиферации клеток.

 

Архитектура формируемой конструкции (каркаса) повторяет архитектуру костной ткани: объемная пористость более 50 % об, диаметр пор 600-800 мкм. При этом механические свойства пористого каркаса близки к механическим свойствам трабекулярной (губчатой) кости человека: модуль Юнга 1.5-2.5 ГПа. Остеокондуктивность разработанной конструкции обеспечивается за счет наличия связанных каналами пор, заданных при компьютерном моделировании, а также микрорельефа для обеспечения адгезии и пролиферации клеток, который является следствием послойного наплавления полимера (FDM). Остеогенность же биоинженерной конструкции обеспечивается за счет наличия мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) и биоактивного компонента (нано-ГАП). МСК могут дифференцироваться в остеобласты и далее в остеоциты. В частности, перспективным представляется получение предшественников МСК из костного мозга, которые демонстрируют высокий потенциал остеогенной дифференцировки.

Практическая значимость исследования
Разработанные в ходе выполнения ПНИ с использованием технологий 3D печати трехмерные конструкции на основе биосовместимого каркаса, наполненного гидроксиапатитом, должны предназначаться для замещения дефектов и коррекции слабонагруженных костей, в частности, в челюстно-лицевой хирургии.

Полученные результаты могут быть использованы в различных областях медицины и ветеринарии в частности, в восстановительной хирургии, транспланталогии, травматологии и онкологии.

Разрабатываемые материалы будут иметь несомненные преимущества по технологии их изготовления и возможности получения имплантатов практически любой сложной формы. Предлагаемые к освоению конструкции будут иметь физико-механические и биологические свойства, превышающие таковые для отечественных аналогов и сравнимые с таковыми для зарубежных, что обеспечивает их патентноспособность.

Разработка собственной технологии получения пористых полимерных биоинженерных конструкций с биоактивным компонентом для тканевой инженерии с использованием технологий 3D-печати позволить выйти на новый уровень создания имплантатов для протезов костей, решив целый ряд проблем, связанных с заменой локальных дефектов костной ткани, что дает возможность снизить количество ревизионных операций.

Эффективность разработанных методик и материалов подтверждена лабораторными испытаниями. Полученные результаты будут ориентированы на широкое применение в научно-исследовательских организациях и фирмах производителях наукоемкой продукции и должны быть конкурентоспособными на внутреннем рынке и рынках стран СНГ с учетом преимуществ по эксплуатационным свойствам, и при потенциальном обеспечении импортозамещения.
Постер

0088_IN.ppt