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 21-73-10148

НазваниеМногофункциональные биодеградируемые покрытия нового поколения для контроля процессов резорбции материалов на основе магния: механизм самозалечивания, персонализированная медицина

РуководительГнеденков Андрей Сергеевич, Доктор химических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2024

Конкурс№61 - Конкурс 2021 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, 03-402 - Электрохимия и коррозия металлов

Ключевые словаГибридные покрытия, плазменное электролитическое оксидирование, биоактивность, механизм коррозионной деградации, защитные свойства, ингибитор коррозии, сканирующий вибрирующий зонд, сканирующий ионоселективный электрод, биорезорбируемые сплавы магния, гетерогенный коррозионный процесс, функциональный материал, чистый магний, аддитивные технологии, биодеградируемые имплантаты, самозалечивание

Код ГРНТИ31.15.33

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В последние годы большое внимание уделяется улучшению качества жизни населения, средней её продолжительности, повышению уровня медицинской помощи, созданию оптимальных условий для восстановления здоровья людей. Травматизм является одной из наиболее частых причин временной нетрудоспособности и смертности населения. Помимо этого, ущерб от травматизма в мире вызывает существенные экономические затраты. Для лечения и восстановления целостности костной ткани в случае сложных переломов используются металлические имплантаты (остеофиксаторы) в виде пластин, штифтов и винтов, необходимых для фиксации костных фрагментов в определенном положении и их срастания. Особое внимание в последнее время уделяется разработке временно устанавливаемых биорезорбируемых имплантатов. Такие изделия выполняют свою функцию в течение периода реабилитации, а затем растворяются в организме. Использование такого материала в хирургии позволит избежать повторных операций для извлечения выполнившего свою функцию имплантата. В мире многими научными группами ведутся работы, направленные на создание новых биоактивных и биорезорбируемых имплантатов на металлической основе. Благодаря уникальным механическим характеристикам, близким по значениям к параметрам костной ткани, Mg-содержащие изделия рассматриваются как идеальные кандидаты на роль временных биорезорбируемых имплантатов. Учитывая высокую коррозионная активность магния и его сплавов в различных средах, применение таких материалов в среде человеческого организма может быть ограничено преждевременным растворением временного имплантата до момента полной реабилитации пациента. Присутствие в составе магниевых сплавов различных фаз, интерметаллических включений, обладающих различной коррозионной активностью, приводит к возникновению гальванопар, ускоряющих коррозию изделия. Для снижения скорости биодеградации магнийсодержащих материалов необходимо создание защитного слоя на их поверхности. Это возможно только в случае установления взаимосвязи между условиями формирования защитного слоя и его электрохимическими, морфологическими характеристиками. Модифицированный биоактивный слой на поверхности биорезорбируемого материала должен защищать временный имплантат в течение определенного фиксированного периода, предназначенного для лечения травмы, ускоряя рост костной ткани. Срок службы такого изделия будет зависеть от тяжести перелома и будет регулироваться технологическими режимами нанесения защитного слоя. Учитывая, что одной из задач мировой науки является обеспечение требуемых свойств изделий, используемых в различных областях (в том числе в сфере имплантационной хирургии, персонализированной медицины), данный проект направлен на разработку физико-химических основ и способов формирования на поверхности магнийсодержащих материалов гибридных антикоррозионных покрытий с использованием метода плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) и последующей его модификацией ингибиторами коррозии и полимерным материалом. Метод плазменного электролитического оксидирования – один из перспективных и востребованных способов нанесения оксидных слоев с широким спектром функциональных свойств. Методом ПЭО можно формировать кальций-фосфатные слои (в том числе содержащие гидроксиапатит), позволяющие достичь необходимую биосовместимость имплантата и ускорить остеогенез. Тем не менее данные покрытия не защищают Mg-сплав от коррозии в должной степени. Одной из основных причин коррозионной активности в этом случае является наличие макро- и мезопор в защитном покрытии, сквозь которые коррозионно-активные компоненты диффундируют к подложке. Вместе с тем, этот недостаток ПЭО-слоя можно обратить в преимущество. Наличие пористого внешнего слоя позволяет использовать его в качестве контейнера для материалов или веществ, оказывающих ингибирующее действие на коррозионный процесс магниевого сплава. Более того, для создания надежного защитного слоя, сохраняющего биоактивные свойства магнийсодержащего материала, необходимо дозировано сужать или запечатывать поры в поверхностной части ПЭО-покрытия. Одним из путей решения данной задачи является модификация ПЭО-слоя, обеспечивающая формирование композиционного коррозионностойкого биоактивного покрытия, ограничивающего доступ коррозионноактивной среды к материалу, с одной стороны, и ускоряющего рост костной ткани, с другой. Присутствие в составе ПЭО-слоя такого биоактивного компонента как гидроксиаппатит будет способствовать росту костной ткани и улучшению биосовместимости имплатационного материала в организме человека. Присутствие ингибитора коррозии в составе защитного слоя придаст активную защиту материалу при повреждении покрытия, а также обеспечат антибактериальными свойствами поверхность временного имплантата. Актуальность данного проекта обусловлена необходимостью разработки способов формирования на поверхности магниевых сплавов и чистого магния гибридных антикоррозионных биоактивных покрытий, позволяющих сохранить механическую прочность и целостность имплантата в течение времени, необходимого для срастания кости и восстановления ее функций, и способствующих процессам остеогенеза, протекающим в период реабилитации. В настоящее время особый интерес представляют магниевые сплавы, легированные нетоксичными для организма элементами, например, кальцием, марганцем. Благодаря присутствию данных элементов в организме человека (кальций является основным элементом костной ткани; марганец необходим для поддержания здоровой структуры костей, влияет на функцию иммунной системы, свертывание крови, регуляцию клеточной энергии и синтез нейромедиаторов; магний является составной частью абсолютно всех тканей и клеток организма человека), магниевые сплавы, легированные нетоксичными для человеческого организма компонентами, обладают высокой биосовместимостью и являются перспективными для использования в имплантационной хирургии в качестве биорезорбируемого материала. В последние годы наблюдается развитие персонализированной медицины, ведется разработка способов быстрого изготовления имплантата, индивидуально подходящего для конкретного пациента, учитывая его анатомические и физиологические особенности, а также уровень повреждения кости вследствие получения травмы. Прогресс в области аддитивных технологий напрямую способствует развитию возможностей создания индивидуальных имплантатов различной геометрии. В данной работе объектами исследования будут выступать биосовместимые магниевые сплавы и чистый магний, полученный с использованием аддитивной технологии – лазерной порошковой наплавки. Разработка новых материалов, представляющих собой гибридные покрытия, состоящие из антикоррозионного биоактивного слоя, полученного методом ПЭО, импрегнированного ингибитором коррозии, обеспечивающего активную защиту от коррозии и обладающего антибактериальным действием, а также биоинертного полимерного материала позволит существенным образом расширить область практического применения материалов на основе магния и сделает их реальными и перспективными кандидатами для использования в имплантационной хирургии. Таким образом, в ходе реализации проекта будут разработаны многофункциональные композиционные полимерсодержащие защитные покрытия, импрегнированные биоингибитором, на поверхности биорезорбируемых сплавах магния и образцах магния, полученных с использованием аддитивных технологий. Следует отметить, что направленное формирование биоактивных антикоррозионных покрытий на поверхности биорезорбируемого магнийсодержащего материала для имплантационной хирургии возможно лишь при тщательном изучении их свойств новыми локальными (Scanning Vibrating Electrode Technique (SVET), Scanning Ion-Selective Electrode Technique (SIET)) и традиционными электрохимическими методами: 1) характера и особенностей электрохимических процессов, протекающих на поверхности материалов на основе магния; 2) механизма биорезорбции материалов в условиях in vitro; 3) влияния продуктов коррозии, образующихся на поверхности, на скорость биорезорбции имплантационного материала; 4) влияния формируемых поверхностных слоев на интенсивность и механизм коррозионного процесса. Таким образом, предлагаемые подходы позволят разработать способы направленного формирования на магнийсодержащих материалах гибридных биоактивных покрытий, обладающих антибактериальными свойствами, функцией самозалечивания и обеспечивающих необходимую скорость биорезорбции имплантационного материала в среде организма, а также ускоряющих остеогенез. Предлагаемые подходы в области формирования и исследования электрохимических свойств оксидных структур не уступают мировому уровню, а в применении к исследованию гетероструктур, сформированных на биорезорбируемых магнийсодержащих материалах методом плазменного электролитического оксидирования, являются новаторскими. Научная новизна предлагаемых подходов заключается в установлении и научном обосновании взаимосвязи между условиями формирования, составом и электрохимическими свойствами поверхностных слоёв на сплавах магния и чистого магния, полученного с помощью аддитивных технологий, перспективных для использования в имплантационной хирургии. Впервые с использованием локальных сканирующих электрохимических методов исследования поверхности (SVET, SIET) в сочетании с традиционными методами оценки скорости коррозии будет изучена гетерогенность магнийсодержащих материалов с гибридными покрытиями (в том числе сформированными с использованием ПЭО), а также стадийность и механизм биорезорбции в условиях in vitro. Решение задачи проекта, посвященной разработке новых стратегий активного управления кинетикой биорезорбции магнийсодержащих имплантатов позволит увеличить эффективность использования изделий в сфере биомедицины, что в свою очередь будет способствовать развитию внутреннего рынка продуктов РФ.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнения проекта будут разработаны способы снижения скорости биорезорбции (вследствие коррозионной деградации) магнийсодержащих материалов, перспективных для имплантационной хирургии. Основы регулирования резорбции материла будут выявлены посредствам изучения характера изменения состояния поверхности вследствие протекания электрохимических реакций и адсорбционно-десорбционных процессов. Постоянно- и переменнотоковыми методами (электрохимическая импедансная спектроскопия, потенцодинамическая поляризация) будут получены уникальные данные об уровне коррозионных токов как в условиях свободной коррозии, так и при поляризации в растворах, имитирующих среду человеческого организма. С использованием взаимодополняющих современных локальных сканирующих зондовых электрохимических методов исследования поверхности: метода сканирующего вибрирующего зонда (SVET – Scanning Vibrating Electrode Technique) и метода сканирующего ионоселективного электрода (SIET – Scanning Ion-Selective Electrode Technique) будет установлено электрохимическое (коррозионное) поведение исходного материала, его гетерогенность, а также покрытий, сформированных методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО), и гибридных слоев на поверхности магниевых сплавах, содержащих кальций и марганец, и чистого магния, полученного методом трехмерной печати. Анализ коррозионной стойкости позволит подобрать условия формирования, состав, строение защитных поверхностных слоев, обнаружить и изучить зоны гетерогенности, а также установить особенности морфологии поверхностного ПЭО-слоя и гибридного полимерсодержащего покрытия, импрегнированного ингибитором. Будут разработаны научные основы формирования защитных покрытий на поверхности биорезорбируемых материалов на основе магния методом ПЭО. Будет проведена сравнительная оценка особенностей протекания коррозионного процесса на микроуровне на образцах сплавов с различным типом поверхностной обработки. Определение физико-химических характеристик гетерослоев на поверхности магниевых сплавов будет способствовать корректировке и оптимизации составов электролита и режимов ПЭО. Будут установлены и изучены особенности протекания процесса коррозии материалов на основе магния с гибридным ПЭО-покрытием в физиологическом растворе, близкому по составу к среде человеческого организма. Используемый комплексный подход, основанный на знании механизма коррозионного разрушения, обусловленного гетерогенностью материала, обеспечит возможность направленного формирования покрытий с заданными характеристиками. Полученные результаты найдут применение в промышленной реализации технологий поверхностной обработки материалов для нужд имплантационной хирургии и персонализированной медицины. На основе анализа и обобщения экспериментальных результатов, полученных в ходе выполнения проекта, будет установлена перспективность использования покрытий нового поколения в имплантационной хирургии, посредством изучения взаимосвязи между условиями формирования, составом и электрохимическими свойствами гетерогенных поверхностных структур имплантационных материалов. Будет установлено влияния биологически безвредных ингибиторов коррозии и полимера, находящихся в составе поверхностного слоя, на электрохимические свойства композиционных покрытий на магниевых сплавах. Будут выявлены и изучены особенности протекания процесса биорезорбции материалов на основе магния с гибридным покрытием в физиологическом растворе, близкому по составу к среде человеческого организма. Будут установлены принципы формирования защитных полимерсодержащих покрытий, импрегнированных ингибитором коррозии, на поверхности материалов на основе магния, перспективных для использования в имплантационной хирургии (на примере сплавов магния с кальцием, магния с марганцем, образцов чистого магний, формируемых по аддитивной технологии). Будут созданы новые научные подходы к повышению коррозионной стойкости материалов, применяемых в имплантационной хирургии. Установленная взаимосвязь между условиями формирования, гетерогенностью по составу, электрохимическими свойствами многофункциональных гибридных покрытий позволит прогнозировать и регулировать уровень защитных свойств поверхностных слоев в биологических коррозионно-активных средах. В ходе выполнение данного проекта, будут проведены исследования физико-химических особенностей коррозии магниевых имплантатов, обобщение полученных результатов, подготовка материалов для опубликования и обнародования результатов исследования. В частности, будет поведено исследование кальцийсодержащего сплава магния, на примере биорезорбируемого сплава Mg0.8Ca, марганецсодержащего сплава МА8 и чистого магния (> 99 масс. %), полученного с использованием аддитивной технологии – лазерной порошковой наплавки, перспективных для использования в имплантационной хирургии. Будут предложены методы формирования защитных покрытий на основе метода ПЭО. Электрохимические и антикоррозионные свойства сформированных поверхностных слоёв будут тщательно изучены. Будет установлено влияние состава и характера гетерогенности магнийсодержащих материалов на их коррозионную активность. Новизна данного проекта основана на исследовании кинетики и механизма коррозионных процессов в условиях in vitro биорезорбируемых материалов на основе магния современными локальными сканирующими методами исследования поверхности SVET и SIET. Метод сканирующего вибрирующего зонда (SVET) позволяет фиксировать локальные изменения плотности тока, благодаря разности потенциалов на поверхности в результате движения ионов между катодными и анодными участками. Данный метод стал одним из наиболее эффективных и широко используемых для изучения коррозионных процессов на поверхности материалов. Метод сканирующего ионоселективного электрода (SIET) позволяет проводить микропотенциометрические измерения с использованием ионоселективных микроэлектродов. С помощью SIET метода можно получить информацию о локальной концентрации определенных ионов (H+, Cl-, Mg2+, Na+ и т.д.) в растворе при квазипостоянном расстоянии между микроэлектродом и активной исследуемой поверхностью материала. В данном проекте будет установлено локальное изменение концентрации ионов водорода (pH среды), обусловленное протеканием коррозионных процессов на поверхности магния и его сплавов. Использование данных методов для определения электрохимической активности поверхностных слоёв на биосовместимых сплавах магния и чистом магнии, получаемом по аддитивной технологии, является целесообразным, учитывая высокую вероятность протекания интенсивных локальных коррозионных процессов на поверхности изучаемого материала. Создание гибридных покрытий будет реализовано путем введения в пористую часть покрытия ингибитора коррозии, совместимого с организмом человека (на примере олеата натрия, бензотриазола, 1,2,3- триазола), обладающего антибактериальными свойствами и снижающим вероятность интенсивных электрохимических процессов на поверхности имплантата. Для регулирования скорости биодеградации материала ПЭО-слой будет дополнительно модифицирован с использованием биоинертного материала (на примере, поликапролактона, поливинилиденфторида, ультрадисперсного политетрафторэтилена), в качестве компонента композиционного покрытия. В результате обработки ПЭО-покрытия полимерным материалом становится возможным контролируемое заполнение пор ПЭО-слоя, что приводит не только к улучшению антикоррозионных свойств материала, но и обеспечивает биологического активность и контролируемую биорезорбцию магниевого имлантата. Создание новых научных подходов к повышению коррозионной стойкости биосовместимых материалов, применяемых в имплантационной хирургии, соответствует современным тенденциям в организации фундаментальных и прикладных исследований, а по степени оригинальности и новизне используемых методов и материалов находится в авангарде современной науки о материалах. Таким образом, результаты работ по проекту будут иметь как фундаментальную, так и прикладную значимость. По результатам проекта будут опубликованы работы в ведущих рецензируемых научных изданиях данного направления, индексируемых в системах цитирования Web of Science, Scopus, РИНЦ (например, Corrosion Science, Materials, Surface & Coatings Technology и др.). Успешное выполнение проекта даст возможность разработать критерии оценки, рекомендации, технологические решения и технические требования по реализации новых методов формирования многофункциональных гибридных покрытий на поверхности имплантационных материалов для внедрения технологии в реальный сектор экономики.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---