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 20-79-10190

НазваниеРазработка научных основ создания биосовместимых керамико-металлических структур и исследование методов воздействия на них с целью стимулирования приживаемости в организме

РуководительШакуров Алексей Валерьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2020 - 06.2023

, продлен на 07.2023 - 06.2025. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№50 - Конкурс 2020 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 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словановые материалы и покрытия, методы создания материалов, биоактивные керамики, импланты, детонационное напыление, микродуговое оксидирование, лазерное облучение, криовоздействие

Код ГРНТИ29.19.16

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Для выполнения Стратегии НТР РФ в части перехода к высокотехнологичному здравоохранению необходимо проведение фундаментальных исследований в области создания и изучения свойств новых материалов, которые могут найти своё применение при создании имплантов для замещения дефектов костной ткани (травмы, первичные и метастатические онкологические поражения, стоматологические заболевания и т.д.). Несмотря на наличие большой номенклатуры биосовместимых материалов (углерод, биополимеры, биорезорбируемые композиции и т.д.) металлы (в первую очередь, титан и его сплавы) до сих пор рассматриваются в качестве основных для целого ряда медицинских изделий, в первую очередь, для крепежных систем и хирургических имплантатов. Одним из наиболее перспективных решений представляются различные комбинации металлических и неметаллических структур, поэтому в данном проекте в качестве подложек предполагается использовать титановые сплавы (ВТ-1, ВТ-6), на которые наносятся в определённой последовательности слои биокерамик. В качестве материала таких покрытий могут использоваться оксиды металлов c определённым фазовым составом (например, для подложки из титана – плёнки анатаза TiO2) и/или покрытия кальций-магний-фосфатных соединений на основе гидроксиапатита и трикальций фосфатов. Данные покрытия повышают остеоинтеграцию поверхности имплантата, обладают антибактериальным эффектом, а также способствуют профилактике формирования антибиотико-устойчивых бактериальных пленок. Методов нанесения таких покрытий достаточно много, но возникает проблема нерешенности вопроса наиболее оптимальных и подходящих режимов их нанесения, формирования их состава, следовательно, имеется целесообразность научного поиска в данном направлении. В проекте предлагается провести комплексное изучение процессов и разработку технологии получения моно- и бислойных плёнок биокерамик на основе наиболее перспективных для решения данного вопроса физических процессов: микродугового оксидирования и детонационного напыления. Данные физические процессы обладают рядом преимуществ перед другими методами формирования покрытия хирургических имплантатов. Микродуговое оксидирование доказано позволяет получать плёнки биосовместимого оксида – анатаза, а также позволяет развить рельеф поверхности, что благотворно влияет на остеоинтеграцию поверхности имплантата в организме реципиента. Детонационное напыление фосфатных биокерамик позволяет формировать на поверхности импланта достаточно значительное по толщине слоя (от 50 до 100 мкм) и высокоадгезионное покрытие, которое стимулирует остеогенез и биосовместимость поверхности. Несмотря на описанные в литературе исследования по применению микродугового оксидирования и детонации для нанесения биоактивных покрытий имеющиеся данные до сих пор носят достаточно фрагментарный характер и не позволяют в полной мере сформировать поверхность с наличием характеристик востребованных современной регенеративной медициной: повышенная остеоинтеграция, биосовместимость, повышенная гидрофильность поверхности, сформированная бактерицидность поверхности, возможность профилактики формирования антибиотико-устойчивых перипротезных бактериальных биологических пленок. Необходимы комплексные исследования процессов, включая установление связей между особенностями их протекания со свойствами покрытий (фазовый, химический состав, морфология поверхности и покрытия, гидрофильность поверхности, механические характеристики).Таким образом, первый блок задач будет включать получение новых данных о процессах формирования биосовместимых структур «фосфатное покрытие/TiO2/подложка» с помощью комплексной методики микродугового оксидирования с последующим детонационным напылением в широком диапазоне вариации параметров методов. Одновременно с чисто материаловедческим инженерным подходом к повышению биосовместимости и остеоинтеграции хирургических имплантатов известны и биохимические методы её стимуляции, основанные на регуляции гормонального фона, содержания биоактивных веществ (прежде всего, витамина Д), а также управления продукцией цитокинов (RANK ligand). Эти методы в настоящее время активно изучаются. С другой стороны, актуальным является определение влияния на биосовместимость и остеоинтеграцию хирургических имплантов широкого спектра физических методов модификации поверхности имплантата. В качестве базовых воздействий планируется оценка криовоздействия (гипотермического, стимулирующего и субдеструкционного характера), облучения лазером (ИК или УФ диапазонов), а также при выявлении необходимости других типов физических воздействий. В результате возможна разработка и доклиническая оценка целого комплекса процессов, влияющих на биологический ответ организма реципиента на хирургический имплант, используемый для коррекции патологии опорно-двигательной системы человека. Во-первых, это процессы, связанные с угнетением либо изменением характера местных иммунных реакций за счёт гипотермии. А, во-вторых, могут иметь место и чисто физико-химические изменения на границе «биологические жидкости-имплант», связанные с изменением смачиваемости его поверхности, изменением механических свойств поверхности и т.д. Другим способом воздействия на поверхность имплантируемых металлических крепежных систем является облучение лазером (ИК или УФ диапазонов) интересующей области с помощью лазерного зонда по оптоволокну. В этом случае возможна активация ряда фотофизических и фотохимических реакций, связанных со стимуляцией производства ферментов, микроциркуляции крови, интенсификации обменных процессов и т.д. Отдельным важным вопросом является изучение бактериостатического и антибактериального свойств лазерного (особенно УФ) излучения, что крайне важно в связи с ростом резистентности большинства микроорганизмов к антибиотикам. Решение поставленной в рамках данного проекта комплексной фундаментальной задачи позволит: повысить биосовместимость поверхности хирургических имплантатов, увеличить качество остеоинтеграции, повысить бактерицидность и снизить возможность развития перипротезных, антибиотикоустойчивых, бактериальных пленок.

Ожидаемые результаты
Первый блок планируемых результатов будет связан с получением новых данных об особенностях формирования моно- и бислойных биосовместимых покрытий на поверхности имплантов из титановых сплавов с помощью комбинированной методики микродугового оксидирования и последующего детонационного напыления фосфатных керамик. Так будут получены новые данные по влиянию параметров этих процессов на фазовый и химический состав покрытий, их кристалличность и размер кристаллитов, наличие и размер пор, а также другие параметры, определяющие приживаемость имплантов. Несмотря на наличие в отечественной и мировой литературе данных о получении биосовместимых покрытий на титановых сплавах методами микродугового оксидирования и детонационного напыления (которые показали перспективность данного направления для дальнейших исследований), можно утверждать, что этих данных недостаточно в настоящее время для формирования необходимой картины взаимосвязей физико-химических процессов, необходимой для создания перспективных функциональных биопокрытий. Так, например, имеющиеся данные об особенностях процессов при детонационном напылении частиц гидроксиапатита, во-первых, не позволяют проследить в полном объёме влияние параметров напыления и характеристик исходных частиц на параметры покрытий, а, во-вторых, дают противоречивую картину касательно особенностей такого важного параметра для биосовместимости как фазовый состав. Это только одно из положений, требующих пристального и детального, прежде всего, экспериментального изучения указанных методик в комплексе. Второй блок результатов будет связан, во-первых, с получением in vivo данных об особенностях взаимодействия полученных новых имплантных структур (при вариации режимных параметров их получения) с тканями модельных животных. А, во-вторых, с исследованием (также in vivo) особенностей ряда физических воздействий (криовоздействие и лазерное облучение) или их сочетаний на комплекс биохимических, механических и др. процессов, протекающих на границе раздела между имплантом и тканями животных. В РФ и за рубежом проводились и проводятся исследования о влиянии указанных типов воздействий на организм. Однако, во-первых, не известны исследования о влиянии крио воздействия и лазерного облучения на процессы остеогенеза на интерфейсе «кость/имплант», а во-вторых, детальное изучение всех процессов в комплексе – крайне сложный и тонкий процесс. Поэтому с учётом того, что при экспериментах будет применён целый комплекс методик, как современного материаловедения (XRD, FTIR, Рамановская спектроскопия, SEM, механические испытания и т.д.), так и биомедицинских исследований (томография, биохимические исследования крови, гистологические исследований), полученные комплексные данные будут соответствовать самому передовому уровню ведущих мировых лабораторий и исследовательских центров. В практическом отношении результаты станут основой для создания как новых биоматериалов, так новых методик терапии и повышения приживаемости имплантов нового поколения. Внедрение имплантов и способов дополнительной стимуляции их приживаемости, необходимо для уменьшения срока реабилитации пациентов и кардинальному снижению их инвалидизации и повышению качества жизни.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---