Гибридные поверхности с антирезорбтивным и противоопухолевым действием

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 23-13-00329

НазваниеГибридные поверхности с антирезорбтивным и противоопухолевым действием

Руководитель Машталяр Дмитрий Валерьевич, Доктор химических наук

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

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-103 - Синтез, строение и свойства природных и физиологически активных веществ; медицинская химия и прогнозирование различных видов биоактивности

Ключевые слова Биоактивные материалы, противоопухолевые вещества, бисфосфанаты, гидроксиапатит, биорезорбируемые имплантаты, остеорегенерация, остеоинтеграция, магний, титан, плазменное электролитическое оксидирование

Код ГРНТИ76.09.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Представленный проект направлен на решение комплексной задачи, связанной с лечением заболеваний опорно-двигательной системы человека. На сегодняшний день затраты на реабилитацию пациентов с различными видами переломов составляют значительную часть бюджета, выделяемого на здравоохранение в развитых странах. Это обусловлено целым рядом причин, которые включают в себя не только возрастающий уровень травматизации, обусловленный повышением техногенных рисков, но и постепенное увеличение числа пожилых людей, нуждающихся в замене суставов, а также такими болезнями, как остеопороз. В данный момент основным способом решения вышеперечисленных проблем является применение имплантатов, обладающих функциональными характеристиками костной ткани. Однако использование имплантатов связанно со значительным количеством рисков, таких как вероятность их отторжения и низкая приживаемость, долгий срок реабилитации и необходимость повторной операции для извлечения имплантата. В данном исследовании предполагается комплексный междисциплинарный (на стыке медицины, материаловедения и химии) подход решения описываемых проблем путем модификации поверхности металлов и сплавов, имеющих значительные перспективы или уже применяемых в имплантационной хирургии. В таком случае будут сохраняться полезные объемные свойства материалов. Более того, формируемые покрытия будут обладать высокими защитными свойствами (коррозионной стойкостью и износостойкостью). Впервые предполагается одновременное применение не только метода плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) с целью создания биосовместимых и биоактивных поверхностей на биоинертных титановых и биорезорбируемых магниевых сплавах, но также и внедрение в состав покрытий антирезорбтивных препаратов. С целью ускорения консолидации как патологических, так и травматических переломов, в пористые гидрофильные ПЭО-слои будут импрегнированы препараты из класса бисфосфонатов, ингибирующие остеокласты и повышающие активность остеобластов, а также обладающие протитивоопухолевым эффектом в отношении остеосаркомы. Дополнительно отметим, что применяемая в проекте технология формирования поверхностных слоев дает возможность получать структуры, обладающие развитой системой пор, которые планируется применять не только в качестве контейнеров, обеспечивающих постепенный релиз и адресную доставку лекарственных препаратов, но и в качестве способа повышения адгезии клеток и их пролиферации. Таким образом, на поверхности титановых и магниевых имплантатов будут синтезированы уникальные композиционные покрытия, обладающие высокой остеоиндуктивностью, антирезорбтивным, протитивоопухолевым эффектом в отношении остеосаркомы. Будет научно обоснована взаимосвязь морфологии, структуры, состава и биоактивности данных покрытий. Будет изучены и объяснены механизмы остеогенерации, остеоиндуктивного действия гибридных покрытий, влияние состава на их свойства. Проект предполагает исследование полученных материалов не только традиционными биологическими и медицинскими методами, но также и новейшими физико-химическими и материаловедческими способами. Такое сочетание позволит не только синтезировать композиционные слои, но и всесторонне их исследовать. Предлагаемое исследование имеет высокую научную фундаментальную значимость, а также способно решить масштабную проблему, связанную с ускорением консолидации патологических и травматических переломов, повышения качества жизни пациентов и здоровья населения, и направлено на решение 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. Надараиа К.В., Сучков С.Н., Маркин Н.С., Имшинецкий И.М., Иванников С.И., Машталяр Д.В., Устинов А.Ю., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Electrochemical synthesis of boron-containing coatings on Mg alloy for thermal neutron shielding Journal of Magnesium and Alloys (год публикации - 2023)
10.1016/j.jma.2023.09.018

2. 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

3. 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, Vol. 12(5), P. 1965-1985 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jma.2024.05.006

4. 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, Vol. 12 (6), P. 2360-2379 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jma.2024.06.014

5. Плешкова А.И., Пяткова М.А., Машталяр Д.В. Бисфосфонат-содержащие покрытия: остеогенез и цитотоксичность Сборник тезисов 6-ой Российской конференции по медицинской химии «МедХим – Россия 2024». г. Нижний Новгород. 1-4 июля 2024 г. Изд-во ООО «АДМИРАЛ ПРИНТ», С. 273 (год публикации - 2024)

6. 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, Vol. 3(4), P. 451-461. (год публикации - 2024)
10.1016/j.chphma.2024.07.002

7. Белов Е.А., Надараиа К.В., Имшинецкий И.М., 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, Vol. 25 (9), 4904. (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25094904

8. Надараиа К.В., Машталяр Д.В., Пяткова М.А., Плешкова А.И., Имшинецкий И.М., Герасименко М.С., Манжуло И.В., Пономаренко А.И., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Some Aspects of Corrosion Properties of Bioactive Coatings Proceedings of the 9th International Symposium on Hydrogen Energy, Renewable Energy and Materials. HEREM23, October 13 –14, 2023, Bangkok, Thailand, Vol. 399. Springer, Singapore. Р. 259–266. (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-3686-7_22

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Обобщая результаты второго года исследований по проекту, можно сделать следующее заключение. На основании данных первого года исследований была проведена оптимизация режимов получения имплантатов, состава электролита и режимов плазменного электролитического оксидирования, а также режима формирования ГС. Предложенная методика является оптимальной для формирования прочных бисфосфонат-содержащих покрытий как на магниевых, так и на титановых материалах. Оценка коррозионных свойств образцов выявила существенное повышение коррозионной стойкости магниевых образцов после нанесения на них ГС. Наличие такого покрытия позволяет не только снизить скорость резорбции материала, приблизив его к скорости восстановления костной ткани, но и уменьшить количество выделяемого в процессе коррозии водорода, а также ионов Mg. Для титановых материалов с биоактивными покрытиями не наблюдалось какое-либо значимое изменение коррозионных свойств в сравнении с образцами без покрытий, что также делает возможным их применение в ортопедии. Несмотря на то, что ПЭО-покрытия обладают меньшей износостойкостью в сравнении с необработанным материалом, они предотвращают «налипание» частиц металла на контртело и могут обеспечить более прочное сцепление имплантационного материала с костной тканью. Формирование на поверхности ПЭО-слоя магниевых образцов ПДА-пленки позволяет значительно укрепить пористую часть ПЭО-покрытия и снизить вынос частиц в область контакта, в результате чего происходит более равномерный рост коэффициента трения и снижение площади трека износа. Упругопластические свойства внешних слоев гибридных покрытий приближаются к таковым у костной ткани, что может значительно повышать приживаемость имплантата за счет нивелирования эффекта экранирования напряжений. Таким образом, ПЭО-слой с добавлением органических биоактивных компонентов позволяет улучшить механические характеристики обрабатываемого материала. Исследование ионного состава полученных материалов позволяет заключить, что по мере времени выдержки образцов в SBF-растворе происходит осаждение ионов Ca на поверхности покрытий, вероятно, с формированием фосфатов Ca. Образцы с бисфосфонат-содержащими покрытиями на Mg-сплаве снижают количество выходящего в раствор Mg в сравнении с образцами с базовым ПЭО-покрытием, что указывает на замедление коррозии. Значения концентраций бисфосфонатов, постепенно высвобождающихся из покрытия, достаточны для оказания местного антирезорбтивного эффекта без выраженного цитотоксического действия в отношении остеобластов и остеоцитов, что свидетельствует об оптимально подобранной концентрации препаратов в покрытии и нахождении их в составе ПДА-пленки. Биоактивные соединения в составе ПДА-пленки не обладают цитотоксической активностью в отношении макрофагов и фибробластов, что подтверждается исследованиями адгезии, пролиферации и жизнеспособности. Полученные БФ-содержащие слои могут улучшить остеоинтеграцию имплантата за счет выраженной иммуномодулирующей активности и способности внедряемых препаратов стимулировать секрецию факторов остеогенеза МСК. Также за счет выявленного иммуномодулирующего эффекта в отношении макрофагов синтезированные имплантационные материалы могут обладать противоопухолевой активностью, что согласуется с литературными данными. Суммируя вышесказанное, можно сделать вывод, что изучение механических и электрохимических свойств образцов в совокупности с in vitro исследованиями свидетельствует об улучшении целого ряда значимых параметров для материалов с ГС в сравнении с металлами и сплавами без покрытий. На следующем этапе проекта планируется подтверждение полученных вывод путем проведения in vivo исследований.

Публикации