Создание высокопористой биосовместимой керамики методами темплатного золь-гель синтеза и искрового плазменного спекания для регенеративной костной хирургии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-73-10107

НазваниеСоздание высокопористой биосовместимой керамики методами темплатного золь-гель синтеза и искрового плазменного спекания для регенеративной костной хирургии

Руководитель Папынов Евгений Константинович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Наноматериалы, наноструктуры, пористые системы, функциональные материалы, структурированная керамика, биокерамика, биоматериалы, селективные сорбенты, золь-гель процесс, темплатный синтез, искровое плазменное спекание, реакционное спекание

Код ГРНТИ31.17.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Создание новых функциональных материалов для биомедицины, в том числе разработка инновационных технологий их получения, является критическим направлением, обеспечивающим приоритетное развитие данной отрасли. Обязанность своевременного развития биомедицины государством очевидна, так как определяется ее чрезвычайной пользой для общества. Однако, учитывая сегодняшние темпы развития сферы биотехнологий, даже спустя десятилетие Россия будет составлять не более 0,1% от всего объема мирового рынка этой сферы, а по ряду определенных сегментов отрасли составит величину близкую к нулю. Причины, по которым наша страна не получает достаточного прогрессивного импульса в этой сфере, связаны, в первую очередь, с низким качеством соответствующих изделий, а также с отсутствием реальных технологических решений конкурентно способного уровня. Следует отметить, что даже мировые лидеры признают неполное совершенство имеющихся у них технологий по созданию биоматериалов для конкретных клинических случаев. Так, например, общей проблемой в области создания биокерамических имлантов, костно-керамических матриксов для восстановления дефектов костных тканей, является чрезвычайная сложность достижения оптимального набора эксплуатационных характеристик изделия, таких как требуемый состав, структура, (био)активность/инертность, устойчивость и механическая прочность, что определяет качество изделия. Совокупный научный опыт показывает, что усовершенствование одной из указанных характеристик приводит к ухудшению другой, что вынуждает производителей выбирать лишь удовлетворительный оптимум, который не является наилучшим по качеству изделия. Вследствие этого, формируется устойчивая проблема, решение которой требует внимания исследователей способных найти и предложить инновационные технологии и универсальные подходы для получения биоматериалов наилучшего качества, которые в полной мере обеспечат потребности общества и займут передовое место на рынке среди мировых конкурентов. В этой связи, проект направлен на решение фундаментальных задач по созданию биоматериалов медицинского назначения требуемого высокого качества, предназначенных для направленной регенерации костных тканей человека, в частности, на получение новой высокопористой биоактивной керамики (биосовместимых матриксов) на основе силикатов кальция, оксидов циркония, алюминия, титана и их композитных керамических форм, формируемых с применением инновационных технологий. Проект предполагает разработку совершенно новых подходов в синтезе биокерамик с уникальными структурными характеристиками и функциональными свойствами, что формирует новизну настоящего исследования. Конкретнее, в исследованиях будут использованы возможности комбинирования двух технологий синтеза: золь-гель (темплатный) синтез, передовой в формировании наноструктурированных неорганических систем, и искровое плазменное спекание (ИПС), инновационный и не имеющий достойных конкурентов в области консолидации порошковых материалов в плотные керамические компакты. В дополнение к этому, впервые планируется применить усовершенствованный метод реакционного-ИПС (Р-ИПС) для создания керамики с биоактивной основой, за счет химического взаимодействия биокомпонентов реакционной смеси, с образованием резорбируемых фаз в объеме формируемой керамики, непосредственно в момент ее плазменно-искровой обработки, то есть «in situ». Проект обеспечит получение новых биокерамик высокого качества, что будет обусловлено, во-первых, контролируемой вариацией пористой структуры (упорядоченно или иерархически пористая), за счет использования различных порообразующих агентов (темплатов), вводимых на всех стадиях синтеза. Это позволит сформировать структуру подобную текстуре костной ткани, которая способна выполнять основные функции костного органа, в том числе за счет химической устойчивости создаваемого неорганического матрикса. Во-вторых, высокая механическая устойчивость получаемой керамики будет достигнута без искажения пористого каркаса за счет уникальности технологии ИПС. При этом прочность такого матрикса будет оптимальна для равномерного распределения механической нагрузки между настоящей и искусственной костью, что исключит вероятность избыточного разрушения костной ткани. В-третьих, биологически активная составляющая получаемой керамики в виде гидроксиапатита (Ca10(PO4)6(OH)2) и трикальциевого фосфата (Ca3(PO4)2), которые будут сформированы золь-гель (темплатным) синтезом и Р-ИПС «in situ», обеспечит ее эффективную остеоинтеграцию, за счет необходимой биосовместимости данных компонентов с биоорганической средой, а также их частичной или полной резорбции. Возможность дополнительного допирования материалов наноразмерными частицами благородных металлов (золото, серебро), повысит их анибактериальные и противовоспалительные свойства. Биосовместимость создаваемых керамических матриксов будет доказана в условиях «in vivo» на уровне реакции крови, тканей, гистологического взаимодействия, скорости миграции клеток, токсикологического воздействия в биоорганической среде целого организма у животных с моделируемым дефектом костной ткани. Будут изучены морфологические особенности и сроки реализации репаративного процесса при имплантации исследуемых образцов. Будет проведена сравнительная оценка получаемых материалов с действующими аналогами изделий имплантов. Проект сформирует ранее неизученные фундаментальные знания и научные основы о принципах комбинирования (сочетания) различных методов направленного синтеза (золь-гель (темплатный), ИПС, Р-ИПС) биокерамик, специфики формирования развитой микроструктуры, особенностях ее изменения при различных параметрах ИПС обработки, а также о возможных химических взаимодействиях, протекающих между различными дополнительно вводимыми реагентами при Р-ИПС синтезе. Проект гарантирует решение вышеуказанных проблем сложившихся в данном научном направлении, при этом полученные в рамках него результаты будут иметь прорывное значение и внесут значимый вклад в фундаментальную и прикладную науку современных материалов, перспективных для практикующей медицины.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Буравлев И.Ю., Белов А.А., Главинская В.О., Номеровский А.Д. Получение моносиликатов кальция на основе силоксан-акрилатных эмульсий XVII Всероссийская молодежная научная конференция с элементами научной школы - "Функциональные материалы: синтез, свойства, применение". Сборник тезисов. СПб.: "ЛЕМА", с.82-83 (год публикации - 2018)

2. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Скурихина Ю.Е., Туркутюков В.Б., Медков М.А., Грищенко Д.Н., Портнягин А.С., Меркулов Е.Б., Апанасевич В.И., Гельцер Б.И., Евдокимов И.О., Афонин И.С., Захаренко А.М., Тананаев И.Г., Агафонова И.Г. ZrO2-phosphates porous ceramic obtained via SPS-RS "in situ" technique: Bacteria test assessment Ceramics International (год публикации - 2019)
10.1016/j.ceramint.2019.04.081

3. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Апанасевич В.И., Афонин И.С., Евдокимов И.О., Майоров В.Ю., Портнягин А.С., Агафонова И.Г., Скурихина Ю.Е., Медков М.А. Synthetic CaSiO3 sol-gel powder and SPS ceramic derivatives: "in vivo" toxicity assessment Progress in Natural Science: Materials International. (год публикации - 2019)

4. Евдокимов И.О., Шичалин О.О., Папынов Е.К. "In vivo" оценка биосовместимых и остеоиндуктивных свойств ZrO2-гидроксиапатит пористой керамики, полученной реакционным искровым плазменным спеканием Материалы 86-й Всероссийской Байкальской научно-практической конференции молодых ученых и студентов с международным участием "Актуальные вопросы современной медицины", посвященной 100-летию Иркутского государственного медицинского университета., с.659-660 (год публикации - 2019)

5. Грищенко Д.Н., Медков М.А., Папынов Е.К., Слободюк А.Б., Меркулов Е.Б., Скурихина Ю.Е. Синтез биоактивного В-содержащего стекла и стеклокерамических материалов путем пиролиза жидкой органической фазы Журнал неорганической химии (RUSSIAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY), том 65, № 3, с. 403-412 (год публикации - 2020)
10.31857/S0044457X20030058

6. Афонин И.С., Апанасевич В.И. Разработка современного остеопластического материала для регенеративной хирургии костного скелета челюстей Актуальные проблемы экспериментальной, профилактической и клинической медицины. Электронное издание. Владивосток: Медицина ДВ. 2019., с. 642-645 (год публикации - 2019)

7. Главинская В.О., Шичалин О.О., Скурихина Ю.Е., Медков М.А., Папынов Е.К. Синтез ZrO2-фосфатной пористой керамики с применением реакционного искрового плазменного спекания "in situ": токсикологическая и бактериальная оценка XI Научная сессия-конкурс молодых ученых Института химии ДВО РАН, 20-23 мая 2019г., Владивосток: сборник трудов. Владивосток: Изд-во ДВФУ., с. 16-17 (год публикации - 2019)

8. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Апанасевич В.И., Портнягин А.С., Майоров В.Ю., Буравлев И.Ю., Меркулов Е.Б., Кайдалова Т.А., Модин Е.Б., Афонин И.С., Евдокимов И.О., Гельцер Б.И., Зиновьев С.В., Степанюгина А.К., Коцурбий Е.А., Бардин А.А., Коршунова О.В. Sol-gel (template) synthesis of osteoplastic CaSiO3/HAp powder biocomposite: “In vitro” and “in vivo” biocompatibility assessment Powder Technology, Volume 367, Pages 762-773 (год публикации - 2020)
10.1016/j.powtec.2020.04.040

9. Главинская В.О., Номеровский А.Д., Скурихина Ю.Е., Шичалин О.О., Папынов Е.К. ZrO2-фосфатная пористая керамика, получаемая методом реакционного искрового плазменного спекания "in situ" : бактериальная оценка XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. В 6 т. Т.2б.: тез. докл. - Санкт-Петербург, 2019г., Т. 2б. Химия и технология материалов. С.150. (год публикации - 2019)

10. Папынов Е., Шичалин О., Буравлев И., Белов А., Портнягин А., Майоров В., Меркулов Е., Кайдалова Т., Скурихина Ю., Туркутюков В., Федорец А., Апанасевич В. CaSiO3-HAp Structural Bioceramic by Sol-Gel and SPS-RS Techniques: Bacteria Test Assessment Journal of Functional Biomaterials, V.11 (2), N 41 (год публикации - 2020)
10.3390/jfb11020041

11. Апанасевич В., Папынов Е., Плехова Н., Зиновьев С., Котсурбий Е., Степанюгина А., Коршунова О., Афонин И., Евдокимов И., Шичалин О., Бардин А., Невожай В., Полежаев А. Morphological Characteristics of the Osteoplastic Potential of Synthetic CaSiO3/HAp Powder Biocomposite Journal of Functional Biomaterials, V.11, N 68 (год публикации - 2020)
10.3390/jfb11040068

12. Апанасевич В.И., Папынов Е.К., Афонин И.С., Евдокимов И.О., Шичалин О.О., Степанюгина А.С., Панкратов Н.Р., Коршунова О.В., Агафонова И.Г., Зиновьев С.В., Гельцер Б.И. Дисперсный биокомпозит на основе волластонита/гидроксиаппатита: остеопластический потенциал с точки зрения рентгенологии Тихоокеанский медицинский журнал, № 3, с. 88-89 (год публикации - 2020)
10.34215/1609-1175-2020-3-88-89

13. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Апанасевич В.И., Плеханова Н.Г., Буравлев И.Ю., Зиновьев С.В., Майоров В.Ю., Федорец А.Н., Меркулов Е.Б., Шлык Д.Х., Непомнящая В.А., Корнакова З.Е., Афонин И.С., Евдокимов И.О., Коршунова О.В. Synthetic nanostructured wollastonite: composition, structure and “in vitro” biocompatibility investigation Ceramics International (год публикации - 2021)
10.1016/j.ceramint.2021.04.258

Публикации