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 25-79-31008

НазваниеАппаратурно-технологический комплекс для модификации поверхности кардиоваскулярных медицинских изделий

Руководитель Волынский Алексей Александрович, PhD (признаваемый в РФ)

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №112 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований под руководством зарубежных ведущих ученых» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-307 - Электрофизические аспекты новых технологий

Ключевые слова никелид титана, сетчатые имплантаты, модификация поверхности, электронный пучок, лазерное воздействие, атмосферная плазма, биосовместимое покрытие, тромборезистентность, противовоспалительные свойства, антибактериальные свойства

Код ГРНТИ29.27.51

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на разработку инновационных технологических подходов инженерии поверхности кардио-/нейро-васкулярных имплантатов с целью придания им уникальных эксплуатационных характеристик и снижения частоты развития постимплантационных осложнений. Разработанные подходы будут воплощены в аппаратурно-технологическом комплексе, сочетающем в себе различные методы модифицирования поверхности концентрированными потоками энергии. Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является отторжение имплантатов, с которым часто сталкиваются в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Отторжение обусловлено сложными биохимическими и иммунными реакциями, протекающими на границе ткань-имплантат. Проект сфокусирован на поиске и внедрении эффективных методов модификации поверхности кардиоваскулярных имплантатов, предназначенных для восстановления проходимости пораженных артерий и предупреждения развития инфаркта сердечной мышцы или инсульта, являющихся основной причиной смертности населения во всем мире. Медикаментозная обработка стентов, снижающая тромбообразование, является временной мерой, сопровождаемой вымыванием лекарственных форм и, как следствие, тромбообразованием. Синтез новых форм биосовместимых покрытий, максимально адаптированных по свойствам к натуральному живому эндотелию, представляет собой актуальную задачу современной биоинженерии. Для увеличения продолжительности срока, в течение которого поверхность стента сохраняет гипотромбогенные свойства, в проекте планируется использовать углеродсодержащие (a-C:H:Si:O:Ti) покрытия. Снижение адгезии тромбоцитов к данным покрытиям, их био- и гемосовместимость были продемонстрированы авторами проекта ранее. Известно, что кремний и соединения на его основе (оксиды и карбиды), входящие в состав покрытия, повышают инертность и гемосовместимость материалов, а также снижают адгезию бактерий. Добавление в структуру покрытия атомов титана обеспечивает повышение твердости и износостойкости, а также снижение воспалительных реакций, агрегации фибрина и тромбоцитов. Воздействие на поверхность с помощью электронного пучка, лазера и атмосферной низкотемпературной плазмы позволит обеспечить сглаживание поверхности и залечивание микротрещин исходных изделий; осуществить локальную обработку внешней поверхности имплантата, задавая свойства, обеспечивающие лучшую приживаемость к стенке сосуда, а также внутренней поверхности имплантата, характеризуемой биоинертностью и тромборезистентностью. Преимущества междисциплинарного подхода (привлечение специалистов в области физики конденсированного состояния, материаловедения, физической электроники, медицины и биологии), реализуемого под руководством авторитетного зарубежного ученого, выполняющего аналогичные проекты за рубежом и в РФ, заключаются не только в разработке и исследовании самих методов модификации поверхности, а также в достоверной апробации медико-биологических свойств получаемых изделий. По итогам реализации проекта будут разработаны научно-технические основы технологий модификации поверхности медицинских изделий (стентов) с использованием электронного пучка, лазера, атмосферной плазмы и плазмы низкого давления, а также оптимизированы технологические режимы получения лабораторных образцов сетчатых саморасширяющихся стентов с повышенной деформационной циклостойкостью и сверхэластичностью; в интересах квалифицированных заказчиков будут разработаны прототипы медицинских стентов, модифицированных с использованием предлагаемых способов и обладающих качественно новыми характеристиками; будет сформирован научно-технический задел, способствующий развитию приоритетного направления НТР «Превентивная и персонализированная медицина, обеспечение здорового долголетия» (Указ Президента РФ от 18 июня 2024 года №529) и, соответственно, экономическому росту, социальному развитию и достижению технологического лидерства Российской Федерации.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта будут получены следующие результаты в области конструирования и изготовления сетчатых имплантатов: • получены лабораторные образцы сетчатых саморасширяющихся стентов с повышенной деформационной циклостойкостью и сверхэластичностью; • определены параметры памяти формы и сверхэластичности образцов в зависимости от постпроцессинговой обработки.; • экспериментально исследовано неупругое поведение сетчатых стентов при сверхэластичном расширении и циклическом радиальном нагружении. Определены перспективные режимы постпроцессинговой обработки для наилучшего восстановления формы при температуре тела; • выявлены условия технологического процесса, обеспечивающие сетчатым образцам из никелида титана полный термомеханический возврат при снятии напряжений при температуре тела, высокую упругость, гибкость, усталостную прочность и прочность на разрыв; • проведен сравнительный анализ имплантатов сложной геометрии (сетчатые стенты), отличающихся толщиной стенки, диаметром поперечного просвета и геометрическими параметрами ячеек; • сделаны выводы о способности выполнения в организме тонкопленочными TiNi стентами рассматриваемых конструктивных решений требуемых биомиметических функций; • исследовано деформационное поведение стентов из TiNi после воздействия концентрированными потоками энергии и осаждения углеродсодержащих покрытий при нагружениях кручением; оценена целостность поверхности и дефектность наносимых покрытий после испытаний; • установлены параметры режимов обработки тонкостенных конструкций из сплава TiNi для достижения требуемых параметров рельефа поверхности, параметров зеренной структуры в приповерхностных слоях и распределения возникающих остаточных напряжений. В результате теоретических исследований будут: • создана физико-математическая модель структурных и фазовых превращений в TiNi при воздействии ударными импульсами с амплитудой до 20 ГПа субмикросекундной, наносекундной и пикосекундной длительности, создаваемыми концентрированными потоками энергии; • установлены закономерности формирования структурированных поверхностных слоев и полей остаточных напряжений в сплаве TiNi при данных воздействиях; • разработана численная модель процесса ударного упрочнения сплава TiNi посредством воздействия концентрированных потоков энергии; • получены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния стентов разных параметров с использованием метода конечных элементов и исследована их механика в условиях физиологических нагрузок; • получены картины деформационного поведения, распределение интенсивности напряжений на внешней и внутренней поверхностях виртуальных стентов, проведена оценка критических нагрузок, определен механический ресурс работы виртуальных стентов при циклических нагружениях. В результате экспериментальных исследований по модификации поверхности сетчатых имплантатов будет: • изучено влияние концентрированных потоков энергии (низкоэнергетический сильноточный электронный пучок, УФ лазерная обработка, атмосферная низкотемпературная плазма наносекундного диффузного разряда и апокампического разряда) на структуру, фазовый и химический состав, морфологию поверхности образцов TiNi; определены оптимальные условия воздействия на поверхность; • исследовано структурное состояние, физико-механические свойства (смачиваемость, адгезия, твердость) и морфология поверхности образцов TiNi с углеродсодержащими покрытиями полимероподобной и алмазоподобной структуры, в том числе, содержащими кремний и титан; • исследованы антикоррозионные свойства образцов TiNi после воздействия концентрированными потоками энергии и нанесения углеродсодержащих покрытий; • определены знак заряда и амплитуда дзета-потенциала модифицированных концентрированными потоками энергии и посредством нанесения углеродсодержащих покрытий образцов TiNi; • исследована долговременная стабильность основных целевых свойств модифицированных экспериментальных образцов. Для доказательства эффективности предложенных способов модифицирования поверхности сетчатых имплантатов будет проведен комплекс биомедицинских исследований и получены следующие результаты: • проведен анализ данных компьютерного in silico прогнозирования существования генов-мишеней и внутриклеточных сигнальных путей, способных контролировать механотрансдукцию физико-химических сигналов модифицированных образцов в функциональный ответ эндотелиальных и мезенхимных стволовых клеток; • исследован in vitro рост культуры патогенного штамма метициллин-резистентного штамма золотистого стафилококка и кишечной палочки (E.coli) в присутствии образцов TiNi, модифицированных различными способами; • проведено экспериментальное моделирование и осуществлена проверка реальной экспрессии спрогнозированных in silico генов-мишеней и внутриклеточных сигнальных путей, способных контролировать механотрансдукцию физико-химических сигналов модифицированных экспериментальных образцов (в сравнении с голометаллической поверхностью), в 3D-модели in vitro культивирования МСК человека с модифицированными изделиями; • получены данные по определению жизнеспособности МСК (тест на цитотоксичность in vitro) после контакта с модифицированными образцами (в сравнении с голометаллической поверхностью); • исследована цитотоксичность и морфофункциональная реакция лейкоцитов (морфология клеток, секреция цитокинов) на модифицированных поверхностях in vitro; • исследованы варианты клеточной смерти культуры эндотелиальных клеток линии EA.hy 926 на поверхности образцов модифицированных различными способами; • получены результаты исследования in vitro деградации экспериментальных образцов, модифицированных различными способами, в условиях пульсовой волны модельной биологической жидкости. Проанализирован выход легирующих элементов из образцов в биологическую среду; • разработана методика исследования биосовместимости, биоинтеграции, биодеградации экспериментальных изделий-имплантов в хронических экспериментах на лабораторных животных (свинья/кролик/баран). • исследована гемосовместимость экспериментальных образцов до и после поверхностной модификации: произведена оценка гемолитического потенциала модифицированных экспериментальных образцов in vitro; исследована адгезия тромбоцитов и воспалительных клеток в условиях временного ex vivo-артериовенозного шунта в модели крупного лабораторного животного (свинья/баран) с использованием методов иммунофлюоресценции и электронной микроскопии; • получены результаты биоинтеграции модифицированных внутрисосудистых имплантатов в различных участках сосудистой системы (грудная аорта, коронарные/периферические артерии) с оценкой качества неоэндотелизации, тромбообразования, гиперпластических изменений эндотелия и локального воспалительного ответа в серии хронических экспериментов на лабораторных животных; • получены данные об антикоррозионной защите внутрисосудистых имплантатов по уровню никеля и титана в тканях экспериментальных животных с помощью рентгенофлуоресцентного элементного анализа и синхротронного излучения; • установлено влияние стерилизации на уровень антикоррозионной защиты образцов, модифицированных различными способами; • получены результаты экспериментов по модификации поверхности иных медицинских имплантатов (лигаментарные винты, подшипниковые опоры устройств механической поддержки кровообращения и т. д.); • исследована эффективность гипотромбогенной модификации поверхностей, контактирующих с кровью отечественного устройства механической поддержки насосной функции левого и правого желудочка сердца – «СТРИМ-КАРДИО» в хроническом эксперименте на крупном лабораторном животном (свинья/баран); • получены результаты исследования эффективности гипотромбогенной модификации опорных каркасов гибридных протезов клапанов сердца (гибридный протез митрального клапана сердца) в серии хронических экспериментов на лабораторных животных. На основе проведенных исследований будет сформирована концепция и изготовлена лабораторная установка, обеспечивающая комплексную обработку сетчатых (и не только) имплантатов для придания им уникальных эксплуатационных характеристик. Основными результатами выполнения проекта будут экспериментальные образцы стентов (прототипы для квалифицированного заказчика) и рекомендации по внедрению методов воздействия концентрированными потоками энергии и осаждения углеродсодержащих покрытий для придания поверхности внутрисосудистых стентов уникальных эксплуатационных характеристик и снижения частоты развития постимплантационных осложнений. Научная и общественная значимость результатов проекта обусловлена высокой смертностью населения от сердечно-сосудистых заболеваний и отсутствием на мировом рынке сетчатых имплантов, которые полностью отвечают требованиям медицинских организаций. На Российском рынке существуют отечественные производители сетчатых имплантатов, которые активно развиваются, особенно в условиях импортозамещения. Поэтому результаты проекта безусловно будут им интересны. Предлагаемые решения будут важны для многих медицинских организаций, занимающихся производством имплантатов (стенты, лигаментарные винты, подшипниковые опоры устройств механической поддержки кровообращения и др.). Новые технологии высококачественной обработки/модификации поверхности позволят добиться качественно новых характеристик промышленно производимых имплантатов, недостижимых с использованием стандартных методов и подходов.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---