Имплантационные материалы нового поколения с таргетной доставкой лекарственных веществ

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 22-73-10149

НазваниеИмплантационные материалы нового поколения с таргетной доставкой лекарственных веществ

Руководитель Надараиа Константинэ Вахтангович, Кандидат химических наук

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

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «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 Биоактивные материалы, антибактериальные материалы, полидофамин, менахинон, ципрофлоксацин, золедронат, гидроксиапатит, биорезорбируемые имплантаты, остеогенерация, остеоинтеграция, магний, титан, плазменное электролитическое оксидирование, искровое плазменное спекание, селективное лазерное плавление

Код ГРНТИ76.09.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на решение сложной комплексной задачи, связанной с разработкой новых имплантационных материалов. Известно, что правильный выбор материалов для изготовления имплантатов имеет решающее значение в реабилитации пациентов. Так, переломы эпифизов костей лишены надкостницы и для их сращения часто необходим остеосинтез. В таком случае крайне важную роль играет имплантат, не только фиксирующий поврежденные участки кости, но также и в значительной степени ускоряющий регенерацию костной ткани. Более того, с учетом постепенного старения населения при имплантации важнейшее значение приобретают анатомические особенности человека, число которых может увеличиваться с возрастом. Следовательно, в таком случае одной из главных задач будет являться применение аддитивных технологий, которые позволяют персонализировать имплантат, тем самым повысив не только надежность создаваемого изделия, но также и ускорив процесс выздоровления. Более того, создаваемые имплантаты должны иметь близкие к естественной костной ткани механические характеристики, а в случае применения биорезорбируемых материалов – и коррозионные свойства, обеспечивающие требуемую скорость растворения, сравнимую со скоростью регенерации костной ткани. Наряду с выше обозначенными проблемами, важнейшей задачей является предотвращение возникновения в месте проведения хирургического вмешательства, так называемых, имплантат-ассоциированных инфекций (ИАИ), которые могут не только увеличивать время выздоровления, но также и приводить к отторжению имплантата, а в случае тяжелого течения – к летальному исходу. Отметим также, что в особую группу входят пациенты, имеющие остеогенную саркому, для которых проведение любого хирургического вмешательства, тем более с целью внедрения погружного имплантата, может приводить к целому спектру нежелательных последствий. Это, в свою очередь, снижает вариабельность хирургической помощи таким пациентам. На сегодняшний день существуют отдельные решения, позволяющие с определенным успехом решать некоторые из поставленных задач. К примеру, в случае возникновения ИАИ применяют лечение антибиотиками, для ускорения сращения кости пациентам назначают остеогенерирующие препараты. Однако такие стратегии часто бывают неэффективными в связи с невозможностью достижения необходимых концентраций лекарственных веществ в области непосредственного хирургического вмешательства. В связи с этим перспективной альтернативой традиционным методам служит таргетная доставка лекарственных препаратов, обеспечивающие локальное, направленной действие вещества и позволяющая избежать нежелательных системных эффектов. Одним из возможных путей осуществления такой доставки является создание на поверхности материала покрытий заданной пористости, способных обеспечивать релиз лекарственных веществ непосредственно в области, прилегающие к имплантату. Подходы, которые планируется реализовать в данном проекте, направлены на решение всех перечисленных задач. Путем применения таких аддитивных технологий, как искровое плазменное спекание (ИПС) и селективное лазерное плавление (СЛП), планируется создание имплантата с высокой удельной поверхностью, позволяющей повысить его остеоинтеграцию. В качестве исходных материалов планируется применение не только хорошо зарекомендовавших себя в имплантационной хирургии титана/титановых сплавов, но и инновационных биорезорбируемых магния/магниевых сплавов. Дополнительно, методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) на поверхности полученных имплантатов будут синтезированы гетерослои, обладающие не только повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью, но и содержащие в своем составе гидроксиапатит (ГА), являющийся основным неорганическим компонентом костной ткани. Формируемая ПЭО развитая пористая структура делает возможным не только обеспечение гидрофильности поверхности, важной для увеличения площади контакта между имплантатом и окружающими тканями, но и внедрение в структуру покрытия различных лекарственных препаратов, обеспечивающих остеогенерацию (менахинон МК-7) и антибактериальные свойства (ципрофлоксацин), а также противоопухолевых веществ (золедронат). С целью обеспечения постепенного, в том числе послойного релиза веществ, планируется получение гибридных полимерсодержащих слоев с использованием полидофамина (ПДА). Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что в представленном исследовании планируется создание имплантатов нового поколения, сочетающих в себе целый спектр критически важных свойств, а также обеспечивающих таргетную доставку лекарственных препаратов. В проекте впервые будет исследован не только предполагаемый синергетический эффект используемых методов, материалов и веществ, но также детально изучен механизм их взаимодействия. Предлагаемое исследование имеет высокую научную фундаментальную значимость, способно решить масштабную проблему, связанную с повышением качества жизни и здоровья населения, направлена на лечение важнейшей комплексной задачи. При этом данный проект по степени оригинальности и новизне используемых приемов, методов и материалов не имеет ни отечественных, ни зарубежных аналогов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Машталяр Д.В., Надараиа К.В., Белов Е.А., Герасименко М.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Composite Coatings of AMg3 Alloy Formed by a Combination of Plasma Electrolytic Oxidation and Fluoropolymer Spraying Molecules, 465, 28(2) (год публикации - 2023)
10.3390/molecules28020465

2. Надараиа К.В., Сучков С.Н., Машталяр Д.В., Имшинецкий И.М., Косьянов Д.Ю., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. New superhydrophobic composite coatings on Mg-Mn-Ce magnesium alloy Journal of Magnesium and Alloys (год публикации - 2023)
10.1016/j.jma.2023.03.006

3. Герасименко М.С., Надараиа К.В., Машталяр Д.В., Имшинецкий И.М., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Physicochemical studies of composite coatings during accelerated tests for atmospheric corrosion MATEC Web of Conferences, 01003 376 (год публикации - 2023)
10.1051/matecconf/202337601003

4. Пяткова М.А., Плешкова А.И., Машталяр Д.В., Имшинецкий И.М., Надараиа К.В., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Formation of composite coatings: morphology and composition studies MATEC Web of Conferences, 01005 376 (год публикации - 2023)
10.1051/matecconf/202337601005

5. Пяткова М.А., Плешкова А.И., Машталяр Д.В., Имшинецкий И.М. Формирование композиционных покрытий, изучение их морфологии и состава Сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции "Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения", С. 366-369 (год публикации - 2022)

6. Герасименко М.С., Надараиа К.В., Мшталяр Д.В., Имшинецкий И.М. Исследования физико-химическими методами композиционных покрытий в ходе ускоренных испытаний на атмосферную коррозию Сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции "Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения", С. 349-352 (год публикации - 2022)

7. К.В. Надараиа, С.Н. Сучков, Н.С. Маркин, И.М. Имшинецкий, С.И. Иванников, Д.В. Машталяр, А.Ю. Устинов, С.Л. Синебрюхов, С.В. Гнеденков Electrochemical synthesis of boron-containing coatings on Mg alloy for thermal neutron shielding Journal of Magnesium and Alloys, 11 (10), 3779-3789 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jma.2023.09.018

8. Д.В. Машталяр, А.И. Плешкова, М.А. Пяткова, К.В. Надараиа, Е.А. Белов, С.Н. Сучков, С.Л. Синебрюхов, С.В. Гнеденков PTFE-Containing Coating Obtained on Ti by Spraying and PEO Pretreatment Coatings, 13(7), 1249 (год публикации - 2023)
10.3390/coatings13071249

9. К.В. Надараиа, Д.В. Машталяр, И.М. Имшинецкий, М.А. Пяткова, А.И. Плешкова, С.Л. Синебрюхов, С.В. Гнеденков Ca\P-Containing Coatings Formed on Ti by Plasma Electrolytic Treatment 2023 IEEE Ural-Siberian Conference on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT), 2023, pp. 009-011 (год публикации - 2023)
10.1109/USBEREIT58508.2023.10158874

10. Надараиа К.В., Плешкова А.И., Пяткова М.А., Машталяр Д.В., Гнеденков С.В. Имплантационные материалы нового поколения с таргетной доставкой лекарственных веществ Будущее биомедицины 2023 = Future of Biomedicine: Young 2023 : IV форум молодых учёных, С. 82-83 (год публикации - 2023)
10.24866/7444-5488-3

11. Плешкова А.И., Пяткова М.А., Надараиа К.В., Машталяр Д.В., Гнеденков С.В. Композиционные покрытия, содержащие биологически активные вещества Будущее биомедицины 2023 = Future of Biomedicine: Young 2023 : IV форум молодых учёных, С. 88-89 (год публикации - 2023)
10.24866/7444-5488-3

12. Белов Е.А., Надараиа К.В., Машталяр Д.В., Игнатьева Л.Н., Марченко Ю.В., Осьмушко И.С., Герасименко М.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Polymer System Based on Polyethylene Glycol and TFE Telomers for Producing Films with Switchable Wettability International Journal of Molecular Sciences, 25(9), 4904 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25094904

13. Плешкова А.И., Ляпин Д.А., Имшинецкий И.М., Надараиа К.В. Исследование некоторых параметров ПЭО процесса на титановом сплаве ВТ-6 Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения: сборник научных трудов Международной научно-технической молодежной конференции, С. 316-318 (год публикации - 2023)

14. Д.В. Машталяр, К.В. Надараиа, Е.А. Белов, И.М. Имшинецкий, С.Л. Синебрюхов, С.В. Гнеденков Features of Composite Layers Created Using an Aqueous Suspension of a Fluoropolymer Polymers, 4667 14(21) (год публикации - 2022)
10.3390/polym14214667

15. Надараиа К.В., Плешкова А.И., Пяткова М.А., Машталяр Д.В. Антибактериальные Ca/P-покрытия с церагенинами Сборник тезисов 6-ой Российской конференции по медицинской химии, С. 87 (год публикации - 2024)

16. Надараиа К.В., Машталяр Д.В., Пяткова М.А., Плешкова А.И., Имшинецкий И.М., Герасименко М.С., Белов Е.А., Кумейко В.В., Козырев Д.Н., Фоменко К.А., Мостовая В.В., Торпанов Б.Р., Биктимиров А.Р., Осьмушко И.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Antibacterial HA-coatings on bioresorbable Mg alloy Journal of Magnesium and Alloys, 12 (5), 1965-1985 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jma.2024.05.006

17. Машталяр Д.В., Имшинецкий И.М., Кашепа В.В., Надараиа К.В., Пяткова М.А., Плешкова А.И., Фоменко К.А., Устинов А.Ю., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Effect of Ta2O5 nanoparticles on bioactivity, composition, structure, in vitro and in vivo behavior of PEO coatings on Mg-alloy Journal of Magnesium and Alloys, 12 (6), 2360-2379 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jma.2024.06.014

18. Надараиа К.В., Машталяр Д.В., Пяткова М.А., Плешкова А.И., Имшинецкий И.М., Герасименко М.С., Белов Е.А., Зверев Г.А., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. A first look at the formation of PEO-PDA coatings on 3D titanium ChemPhysMater, 3 (4), 451-461 (год публикации - 2024)
10.1016/j.chphma.2024.07.002

19. Пяткова М.А., Плешкова А.И., Надараиа К.В. Создание гибридных покрытий, содержащих менахинон, ванкомицин и золедроновую кислоту Сборник тезисов 6-ой Российской конференции по медицинской химии, С. 165 (год публикации - 2024)

20. Голышева А.А., Пяткова М.А. Композиционные витаминсодержащие покрытия Медицина будущего. III Дальневосточная конференция молодых ученых, С. 287-289 (год публикации - 2024)

21. Пяткова М.А., Надараиа К.В., Пономаренко А.И., Манжуло И.В., Герасименко М.С., Плешкова А.И., Белов Е.А., Имшинецкий И.М., Фоменко К.А., Осьмушко И.С., Козлов А.Г., Гнеденков С.В., Машталяр Д.В. Hybrid surface layers with antibacterial and anti-inflammatory activity for implants materials Journal of Magnesium and Alloys (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетный период (2024–2025 гг.) выполнены следующие работы. Был оптимизирован способ получения гибридных имплантационных материалов на основе магниевого сплава МА8 и СЛП-образцов из порошка титанового сплава ВТ6. Был исследован остеоиндуктивный потенциал золедроновой кислоты, менахинона-4 и менахинона-7 in vitro на культуре МСК. Установлено, что обе изоформы витамина К2 стимулируют выработку RUNX2 и остеокальцина на 28 день эксперимента, тогда как обработка МСК ZA не оказала влияние на выработку RUNX2, однако привела к увеличению экспрессии остеокальцина и остеопонтина. Также установлено, что МК4 стимулировал выработку остеопонтина, тогда как добавление МК7 не оказывало влияние на экспрессию данного белка. Полученные данные указывают на наличие остеоиндуктивных свойств разной степени у всех трех биоактивных соединений. Результаты вестерн блота были подтверждены методом иммунофлуоресцентного окрашивания. Установлено, что наиболее выраженное усиление активности RUNX2 и остеокальцина наблюдается при сокультивировании МСК с МК7. Также методом MTS было установлено, что обе изоформы витамина К2 не оказывают цитотоксического действия на клетки остеосаркомы человека, на основании чего мы можем заключить, что для создания гибридных покрытий была выбрана изоформа с наиболее выраженными желаемыми биоактивными свойствами. Методом реал-тайм ПЦР было установлено увеличение экспрессии ключевого фактора транскрипции, связанного с дифференцировкой остеобластов, Runx2 и закономерное снижение FoxO3a, сопровождающегося повышенной экспрессией остеокальцина. Было установлено, что культуральная среда, полученная от большинства типов титановых и магниевых имплантатов, не обладает цитотоксическим действием в отношении МСК, при этом неразбавленная культуральная среда, полученная от имплантатов Mg-ПЭО и Mg-ZK провоцирует клеточную гибель. Тем не менее, данный эффект нивелируется при разведении среды ½. Однако было также установлено, что покрытия Mg-ПЭО, Mg-ZK, Ti-ПЭО и Ti-ZK не оказывали видимого цитотоксического эффекта в отношении МСК спустя 5 суток прямого контакта при исследовании имплантатов методом СЭМ. В результате in vitro исследования экспрессии провоспалительных цитокинов после инкубации макрофагов с внедряемыми веществами и синтезируемыми материалами установлено выраженное противовоспалительное действие внедряемых биоактивных соединений, а также магниевых и титановых имплантатов. Данный эффект может снизить вероятность послеоперационного отторжения имплантатов и обеспечить лучшую остеоинтеграцию. Также по итогам цикла исследования местной и системной токсичности in vivo, на основании показателей состава мочи, клинического и биохимического анализа крови подопытных животных, СЭМ-изображений поверхности извлеченных имплантатов, а также гистологических исследований печени, селезенки и прилегающей к имплантатам мышечной ткани можно утверждать об отсутствии местной и системной токсичности во всех экспериментальных группах. Все внедренные материалы биосовместимы, их имплантация не приводит к развитию воспаления. Дополнительно было проведено in vivo исследование биосовместимости титановых и магниевых имплантатов с гибридными покрытиями при моделировании травматического повреждения бедренной кости крысы. На основании данных клинического и биохимического анализов крови лабораторных крыс спустя 28 суток после имплантации можно утверждать об отсутствии токсического влияния как веществ, внедряемых в гибридное покрытие, так и самого покрытия. Согласно результатам гистологических и иммуногистохимических исследований, синтезируемые материалы обладают биосовместимостью и не провоцируют развитие воспалительных процессов как в самой кости, так и в прилежащих тканях. Более того, вокруг имплантатов Mg-ZK наблюдалось лучшее заживление и ремоделирование кости, а также реконструкция сосудистой сети в данной группе было более успешным. Представлена и подробно описана общая схема создания имплантатов с этапами формирования имплантатов, а также биоактивного действия как самого имплантата, так и гибридного слоя. В отчетный период реализации проекта (2024–2025 гг.) результаты исследований были опубликованы в таких научных журналах, как Journal of Magnesium and alloys (Q1) и ChemPhysMater (Q1), индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, для ознакомления российской и международной общественности. Апробация результатов проходила на следующих профильных научных конференциях: 6-я Российская конференция по медицинской химии с международным участием «МедХим – Россия 2024», VI Национальный конгресс по регенеративной медицине, V Всероссийская конференция «Медицина будущего».

Публикации

Возможность практического использования результатов
Учитывая тематику проекта, его направленность на решение не только фундаментальных, но и практических проблем, а именно – создании следующего поколения имплантатов, результаты, полученные в ходе выполнения проекта, несомненно, лягут в основу разработки медицинских изделий. В настоящий момент проведены масштабные испытания на лабораторных животных, доказывающие не только отсутствие у материалов местной и общей системной токсичности, но и высокие биоактивные свойства. На последующих этапах планируется проведение доклинических испытаний на более крупных животных (к примеру, кроликах, свиньях и овцах) и клинических исследований с получением разрешения Минздрава России на применение медицинского изделия. Отметим, что данное исследование напрямую соответствует сразу трем Национальным проектам России: «Новые материалы и химия», «Продолжительная и активная жизнь», «Технологии здоровья», что в совокупности подразумевает его развитие с целью создание готового продукта.