Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0013

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0013
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
Исследование способов получения новых гибридных скэффолдов с контролируемой микроструктурой и пористостью для регенеративной медицины
Докладчик
Сурменев Роман Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка технологии получения с помощью аддитивных методов и доклиническая оценка гибридных скэффолдов на основе сплава титана ВТ6, а также скэффолдов на основе биодеградируемых полимеров, предназначенных для коррекции патологии опорно-двигательной системы человека.

Задачи проекта:
-отработка технологии получения трехмерных скэффолдов на основе титана и его сплава ВТ 6 (Ti6Al4V), а также гибридных полимерных биодеградируемых скэффолдов с использованием методов трехмерной печати на основе поликапролактона, поли-3-гидроксибутирата и поли-3-гидроксибутирата-3-гидроксивалерата и их смесей с добавлением наночастиц стронций- или кремнийсодержащего гидроксиапатита.
-отработка способов, контроля фазового и химического состава, микроструктуры скэффолдов, что обеспечит необходимые для успешного практического использования значения твердости, модуля Юнга, усталостной прочности, прочности на сдвиг.
- разработка стабильных по фазовому составу полимерных биодеградируемых гибридных скэффолдов с микроструктурой и физико-механическими свойствами, максимально приближенными к костной ткани.
-комплексная лабораторная оценка структуры разрабатываемых скэффолдов.
-разработка способов модифицирования поверхности скэффолдов с использованием реактивной низкотемпературной ВЧ-плазмы и электронно-пучковой обработки.
-оценка биосовместимости и дифференцировочной активности мезенхимальных стволовых клеток в модельных исследованиях in vitro.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность настоящего проекта обусловлена отсутствием на отечественном медицинском рынке хирургических имплантатов индивидуально изготовленных с использованием методов трехмерного прототипирования с гарантированной и повышенной остеокондуктивностью и остеоиндуктивностью, предназначенных для пластики сложных врожденных и приобретенных дефектов костной системы. В 40% подобных оперативных случаев требуется направленная тканевая регенерация с применением имплантируемых протезов нового поколения, обладающих гарантированной повышенной остеоиндуктивностью и биосовместимостью, с точным анатомическим соответствием замещаемым участкам.
Костные имплантаты, позволяющие одновременно восполнить костный дефект и исключить миграцию протеза, обладающие повышенным регенераторным потенциалом, серийного производства, предназначенные для лечения патологии опорно-двигательной системы, осложненной сопутствующими заболеваниями и имплантаты, изготовленные методом прототипирования с гарантированной остеоиндуктивностью для коррекции сложных приобретенных и врожденных челюстно-лицевых дефектов, являются потребностью отечественного здравоохранения.
Описание исследования

В рамках ПНИ при создании полимерных и металлических скэффолдов основной задачей являлся синтез новых типов металлических и полимерных материалов с заданными химическим составом и структурой. В качестве методов получения образцов для исследований использовались электроспиннинг и метод трехмерного прототипирования. Для изготовления скэффолдов на основе сплава титана ВТ6 использовалась машина ARCAM A2 EBM® (Sweden). Установка с электронно-лучевой пушкой характеризуется отсутствием подвижных частей, так как электронный луч фокусируется и направляется с помощью магнитного поля и дефлекторов. EBM работает при температуре, находящейся обычно между 700 и 1000 °С. Детали получаются готовыми практически сразу же после остывания. Скорость плавления: до 80 см3 / ч. Минимальная толщина слоя: 0,05 мм. Точность: ± 0,2 мм, мощность электронного пучка – (50 – 3500) Вт (с плавной регулировкой), скорость сканирования до 8000 м/с, скорость позиционирования до 7 м/с, минимальный диаметр электронного пучка – 100 мкм.

В процессе работы проводилась обработка поверхности металлических скэффолдов посредством получения различных типов биосовместимых покрытий с использованием метода ВЧ-магнетронного распыления или электрофоретического осаждения, на основе наночастиц серебра, а также кальций-фосфатных наночастиц. Наряду с этим проводилось модифицирование поверхности полимерных пленок поли-3-гидроксибутирата с помощью реактивной высокочастотной плазмы, формирование 3-Д матриксов из поликапролактона методом электроформования, обработка поверхности 3-Д матриксов из поликапролактона с помощью реактивной высокочастотной плазмы, исследование морфологии и смачиваемости поверхности мембран.

Исследование краевых углов смачивания и поверхностной энергии проводилось с использованием метода сидячей капли. Для измерения электрических параметров биопокрытий использовался малогабаритный измеритель поля, реализующий известный принцип Эгучи, с автономным питанием и цифровым дисплеем, разработанный в НИИ интроскопии ТПУ. Прибор обеспечивает измерение потенциала поля поверхности слабо заряженных тел в условиях электростатических воздействий окружающей среды, многократно превышающих уровень измеряемых потенциалов, в частности потенциалов биоэлектрического поля в биологически активных точках кожного покрова человека, адекватных диапазону потенциалов электрического поля на поверхности биопокрытий. Продольное разрешение прибора определяется диаметром измерительного электрода и составляет 5 мм, диапазон измеряемых потенциалов от десятков мВ до сотен вольт. В основу методики измерения поверхностной плотности заряда покрытий, заложен усовершенствованный метод Егучи (метод подъёмного электрода). Исследование физико-химических и механических свойств скэффолдов осуществлялось с помощью стандартных методов и методик: сканирующая электронная микроскопия, рентгеновская дифракция, рентгеновский энергодисперсионный анализ и т.д.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИ было осуществлено синтезирование наночастиц серебра и кальцийфосфата и их электрофоретическое осаждение. Также была исследована морфология поверхности титанового скэффолда, приготовленного по технологии электронно-лучевого плавления, с покрытием на основе ГА, с осажденными наночастицами кальцийфосфата, серебра. Установлено, что наибольшее значение стехиометрического соотношения, лежащее в области допустимых значений для кости человека (1,37 – 1,77), которое характеризует биосовместимые свойства кальций-фосфатного соединения, составило 1,72 для ГА покрытия, полученного с помощью ВЧ-магнетронного осаждения. Для кальций-фосфатных наночастиц, а также их комбинации с наночастицами серебра данные значения составили 1,41 и 1,13, соответственно. Согласно результатам смачиваемости, после осаждения ГА покрытия  и наночастиц серебра поверхность становится гидрофильной. Поверхностная энергия при модификации скэффолда данными способами также увеличивается.

Модифицирование с использованием низкотемпературной плазмы мембран двух разных материалов – поли-3-гидроксибутирата и поликапролактона – показало, что улучшения гидрофильных свойств поверхности мембран необходимо учитывать химический состав материала. Для гидрофилизации поверхности поли-3-гидроксибутирата лучше подходит плазма, генерируемая аммиаком или его смесью с аргоном. Данная обработка позволяет улучшить смачиваемость поверхности и уменьшить контактный угол с гидрофобного 99 º до гидрофильного около 45 º. Улучшения происходят за счет увеличения поверхностной энергии полимера, благодаря формированию полярных групп на поверхности поли-3-гидроксибутирата. Обработка 3-Д матриксов из поликапролактона напротив показала, что целесообразно использовать кислородсодержащую плазму, либо смеси газов аргона с кислородом или с аммиаком. После ионно-плазменного модифицирования смачиваемость увеличивается.

Отработаны способы формирования композитных органических покрытий при физиологических условиях на основе хитозана, в частности, функционализированного полифенолом. Исследованы структура и молекулярный состав скэффолдов, а также антибактериальные свойства. Получены данные о структуре разработанных в проекте модифицированных/функционализированных металлических образцов с кальций-фосфатным покрытием, осажденным методом электрофореза. Результаты исследований влияния способа модифицирования поверхности образцов на адгезию, дифференцировку и пролиферацию стволовых или костных клеток. показали, что все исследованные образцы являются биосовместимыми. Не обнаружено случаев воспалительных или аллергенных реакций в случае использования в экспериментах остеобластоподобных клеток. Установлено, что распределение наночастиц в полимерной матрице является однородным, обнаружен эффект агломерации наночастиц в результате процесса электроспиннинга, что позволяет получать в объеме скэффолда субмикронные частицы кальций-фосфата, что должно положительно сказаться на механических свойствах получаемых биокомпозитов.

Практическая значимость исследования
Результаты НИР обладают высокой перспективой коммерциализации в среднесрочной перспективе. В дальнейшем при внедрении результатов НИР ожидается существенное снижение зависимости России от импорта зарубежных аналогов. Ожидается, что повсеместное использование резорбируемых магниевых сплавов обеспечит отсутствие необходимости повторных операций, связанных с извлечением имплантата, что сейчас невозможно при использовании нерезорбируемых металлов. Использование в клинической практике магниевых сплавов является оптимальным компромиссом между металлами и полимерами, который позволяет получить биокомпозит с необходимыми механическими свойствами и заданной скоростью резорбции. Ожидается повсеместное увеличение качества жизни населения РФ, снижение стоимости и продолжительности лечения в тех случаях, когда наиболее эффективным решением является использование резорбируемых магниевых сплавов по сравнению с другими материалами.
Комплекс работ, который будет реализован в рамках настоящей НИР, приведет к отработке новых высокотехнологичных способов получения новых имплантатов, а также способов детерминированного наноструктурирования их поверхностных свойств, что приведет к разработке новых биокомпозитов, так-называемых “умных” 3D-скэффолдов следующего поколения, для медицинской практики. Предлагаемые разработки высоко востребованы в областях практического здравоохранения: нейрохирургия, травматология и ортопедия, челюстно-лицевая хирургия, детская травматология, стоматология, онкология, гематология. Полные аналоги объектов исследования настоящей НИР отсутствуют.
Основные результаты НИР будут внедрены в образовательные курсы по подготовке магистров по направлениям: материаловедение и технология новых материалов; химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов; физическая химия нанообъектов в живых системах; физика конденсированного состояния вещества; пучковые и плазменные технологии.