Исследование и прогнозирование свойств биосовместимых керамических материалов для костной имплантации на основе гидроксиапатита, армированного многостенными углеродными нанотрубками

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 25-23-20233

НазваниеИсследование и прогнозирование свойств биосовместимых керамических материалов для костной имплантации на основе гидроксиапатита, армированного многостенными углеродными нанотрубками

Руководитель Резванова Анастасия Евгеньевна

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №100 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова гидроксиапатит, многостенные углеродные нанотрубки, композит, кальций-фосфатная керамика, физико-механические свойства, цитотоксичность, машинное обучение, нейронные сети, регрессия

Код ГРНТИ76.09.99

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
Главным результатом проекта станет модель прогнозирования физико-механических свойств композитной керамики на основе гидроксиапатита (ГА) с добавками многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), приближенных к костной ткани человека и необходимых для применения в медицинском материаловедении для реконструкции костных тканей и заполнения костных дефектов. В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты: Будут изучены структурно-фазовые и размерные характеристики синтезированных порошков ГА и МУНТ. Будут определены условия и параметры получения (температура, скорость и время спекания) керамических объемных композитных материалов на основе ГА с различными концентрациями МУНТ и исследованы их структурно-фазовый состав, микроструктура, физико-механические характеристики. Будут получены результаты биологических исследований на цитотоксичность in vitro, отражающие реакцию поведения и жизнеспособности клеток при контакте с образцами керамики ГА-МУНТ. Будет разработано программное обеспечение (ПО) для построения математических прогнозных моделей физико-механических характеристик композитного материала ГА-МУНТ на основе результатов аппроксимации экспериментальных данных. Будут подготовлены рекомендации по получению композитных материалов, используемых в медицинском материаловедении, на основе ГА с добавками МУНТ для реконструкции костных тканей и заполнения костных дефектов. Будет опубликован комплекс 3 научных публикаций, содержащих результаты исследований, в ведущих рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях. Результаты комплекса исследований внесут вклад в развитие представлений о физико-механических и биологических характеристиках керамического биокомпозита. Решение поставленных научных задач позволит разработать методику по получению композитной керамики на основе ГА с добавками МУНТ, приводящим к повышению прочностных характеристик материала с целью дальнейшего внедрения композитов в медицинскую практику для реконструкции костных тканей и заполнения костных дефектов. В рамках проекта будет сформирована эффективная научная группа, способная решать экспериментально-теоретические задачи в области фундаментального материаловедения, имеющего прикладное значение. Данное комплексное исследование будет выполнено в соответствии с мировыми стандартами, для чего имеются все необходимые условия и предпосылки: подобран междисциплинарный коллектив, который имеет опыт проведения подобных исследований, доступ к необходимому исследовательскому оборудованию, а также наличие публикаций в высокорейтинговых журналах по тематике проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе проекта успешно решены две ключевые задачи: создание оптимизированного композитного материала и разработка прототипа программного обеспечения для прогнозирования его свойств. В качестве научно-экспериментальных результатов проекта по созданию материала выделены следующие: - Синтезированы серии образцов композитной керамики на основе гидроксиапатита (ГА), армированной многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ, 0.1–2 масс.%). Установлена оптимальная концентрация МУНТ — 0.5 масс.%, обеспечивающая наилучший комплекс свойств. - Доказано, что МУНТ, локализуясь в порах ГА матрицы, снижают поверхностную пористость с 15% до 5%, подавляют рост зёрен ГА и повышают его фазовую стабильность, препятствуя образованию менее прочных фаз трикальцийфосфата. - Установлен и экспериментально обоснован оптимальный состав композита на основе ГА с добавками 0.1 масс.%МУНТ для последующих этапов разработки биосовместимого материала для костной имплантации, который продемонстрировал минимальную цитотоксичность, сохранив 76.30% ± 1.54% жизнеспособности клеток, что соответствует критериям приемлемости для биоматериалов. Это значение достоверно выше, чем у других испытанных композиций (ГА-1, ГА-0.2, ГА-0.5), жизнеспособность с которыми составила 50.24–56.16%. - Экспериментально подтверждено нелинейное влияние концентрации МУНТ на механические свойства, а именно микротвердость. При оптимальном содержании МУНТ (0.5 масс.%) микротвёрдость достигает максимума 4.5 ГПа, что соответствует эффективности на ~18% по сравнению с чистым ГА без добавок. Превышение концентрации вызывает возможную агломерацию нанотрубок и снижение прочности композитной керамики. Научно-технические результаты по созданию программного комплекса - Разработана техническая документация (техническое задание) на программно-аналитический комплекс, определяющая архитектуру (MVC), технологический стек (Python, TensorFlow) и критерии оценки. - Создана и обучена высокоточная суррогатная модель на основе искусственной нейронной сети (коэффициент детерминации R² = 0.9546). Модель прогнозирует микротвёрдость по Виккерсу в непрерывном диапазоне нагрузок индентирования (0.98–9.8 Н). - Реализован функциональный прототип настольного приложения с графическим интерфейсом, позволяющий исследователям без навыков программирования проводить прогнозные расчёты, визуализировать результаты с доверительными интервалами и экспортировать данные. Таким образом, в ходе выполнения проекта в отчетном периоде получен новый композитный материал с подтверждёнными улучшенными структурно-механическими свойствами и прототип программного обеспечения для ресурсосберегающей оптимизации подобных материалов. Все поставленные задачи выполнены в срок и в полном объеме, целевые показатели достигнуты. Полученные результаты были представлены на следующих научных мероприятиях и конференциях: Annual international conference «Saratov fall meeting XXIX» (Saratov, 2025), Международная школа теоретической физики «Сложные системы и перспективные материалы» (Дубна, 2025 г.), Международная конференция «Физика и технология перспективных материалов» (Уфа, 2025 г.) И обнародованы в рецензируемом журнале: Rezvanova A.E., Kudryashov B.S., Pogudin V.Yu. Machine-learning method for the development of a Vickers microhardness predictive model of a hydroxyapatite-multi-walled carbon nanotube ceramic composite material. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2025, vol. 25, no. 6 (in-print) А также опубликованы в СМИ: 1. Ученый приходит в школу. "Академический проспект" №7(142) С.5. https://tsc.ru/ru/popularization/ap.html 2. Томские ученые создали прогнозную модель механических свойств керамики для костной имплантации. Наука в Сибири. https://www.sbras.info/news/tomskie-uchenye-sozdali-prognoznuyu-model-mekhanicheskikh-svoystv-keramiki-dlya-kostnoy

Публикации

1. Резванова А.Е., Кудряшов Б.С., Погудин В.Ю. Определение оптимального метода машинного обучения для построения прогнозных моделей микротвёрдости по Виккерсу керамического композитного материала гидроксиапатит-многостенные углеродные нанотрубки Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики (год публикации - 2025)

2. Резванова А.Е., Кудряшов Б.С., Погудин В.Ю. Structure and physico-mechanical properties of ceramic composite material hydroxyapatite-multi-walled carbon nanotubes Annual international conference «Saratov fall meeting XXIX» (год публикации - 2025)

3. Резванова А.Е., Кудряшов Б.С., Погудин В.Ю. Моделирование структуры и микротвердости по Виккерсу композита гидроксиапатит многостенные углеродные нанотрубки Физика и технология перспективных материалов – 2025: сборник трудов Международной конференции, сборник трудов Международной конференции "Физика и технология перспективных материалов – 2025", 6-10 октября, 2025. - Уфа, 2025, стр. 192-194 (год публикации - 2025)