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 25-73-10044
НазваниеГибридные покрытия на танталовых имплантатах, обеспечивающие адресную доставку антибактериальных и противовоспалительных агентов
Руководитель Надараиа Константинэ Вахтангович, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край
Конкурс №111 - Конкурс 2025 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые слова Биоактивные материалы, антибактериальные материалы, полидофамин, каротиноиды, тантал, катионные стероидные антибиотики, кальций-фосфаты, ортопедические имплантаты, остеогенерация, остеоинтеграция, антиоксиданты, противовоспалительные вещества, иммуномодуляция, плазменное электролитическое оксидирование, Мировой океан.
Код ГРНТИ76.09.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Правильный выбор материалов для изготовления имплантатов имеет решающее значение в реабилитации пациентов. Однако с учетом наличия инородного объекта в теле важнейшей задачей является подбор имплантата, обладающего первоначальным сродством к костной ткани. Дополнительно, создаваемые имплантаты должны иметь близкие к естественной костной ткани механические характеристики в месте контакта имплантата и костной ткани с целью снижения разницы в напряжениях.
Наряду с данными проблемами, важнейшей задачей является предотвращение возникновения в месте проведения хирургического вмешательства имплантат-ассоциированных инфекций (ИАИ), которые в случае тяжелого течения могут приводить к летальному исходу, что во многом обусловлено все возрастающим количеством заражений антибиотико-резистентными штаммами.
Учитывая возникающее в процессе проведения операции воспаление, важнейшей задачей является обеспечение противовоспалительных свойств и антиоксидантной активности у применяемых изделий. В совокупности с иммуномодулирующими свойствами такой имплантат позволит обеспечить быстрое восстановление пациента и возвращение к первоначальному качеству жизни.
Таким образом, современный ортопедический имплантат должен соответствовать целому набору критериев, отвечающих требованиям перехода от первого поколения биоматериалов (простой биоинертности) к третьему и даже четвертому поколениям (биоактивности с направленным действием). Используемые на сегодняшний день стратегии лечения часто бывают неэффективными в связи с невозможностью достижения необходимых концентраций веществ в области хирургического вмешательства. В связи с этим перспективной альтернативой традиционным методам служит адресная доставка лекарственных препаратов, обеспечивающая локальное, направленное действие вещества и позволяющая избежать нежелательных системных эффектов. Одним из возможных путей осуществления такой доставки является создание на поверхности материала гибридных полимер-керамических слоев заданной пористости, служащих матрицами для высвобождения лекарственных веществ непосредственно в области, прилегающие к имплантату.
Подходы, которые планируется реализовать в данном проекте, направлены на разработку и создание единого решения существующих проблем. В качестве исходного материала в проекте будут применены танталовые сплавы, известны более высоким сродством к костной ткани, чем аналогичные титановые сплавы. Первый этап биофункционализации будет заключаться в применении плазменного электролитического оксидирования (ПЭО), технологии, обеспечивающей получение керамических покрытий, обладающих не только повышенной износостойкостью, но и содержащих в своем составе гидроксиапатит (ГА), а также оксиды тантала, известные своим бактерицидным эффектом. Формируемая ПЭО развитая пористая структура делает возможным как обеспечение гидрофильности поверхности, так и внедрение в структуру покрытия различных биоактивных компонентов, к примеру, каротиноидов, добываемых из ресурсов Мирового океана. На втором этапе будет осуществлено формирование полидофаминового слоя на ПЭО-покрытии. Известно, что сам по себе полидофамин служит центром осаждения кальций-фосфатных соединений – будущих минеральных компонентов костной ткани. С целью придания поверхности дополнительных свойств за счет реакций клик-химии на ней будут иммобилизованы катионные стероидные антибиотики, эффективные против антибиотико-резистентных бактерий. Заданная скорость деградации полидофаминового слоя позволит обеспечить выделение требуемого количества лекарственных веществ.
Таким образом, в описываемом проекте планируется создание имплантатов нового поколения, сочетающих в себе целый спектр критически важных свойств, а также обеспечивающих таргетную доставку лекарственных препаратов. В проекте впервые будет исследован не только предполагаемый синергетический эффект используемых методов, материалов и веществ, но также детально изучен механизм их взаимодействия.
Ожидаемые результаты
В ходе описываемого проекта планируется дизайн имплантатов нового поколения, обладающих биоактивными свойствами и способностью к направленному воздействию с целью ускоренной регенерации костной ткани. В качестве основы для создания имплантационных материалов в проекте будут использованы тантал/танталовые сплавы, которые способны связываться с костной тканью, не вызывая деградации последней.
Данное свойство танталовых материалов будет усилено за счет формирования путем плазменной электролитической обработки на их поверхности особых пористых керамических структур-матриц, что дополнительно позволяет модифицировать имплантат без изменения полезных объемных характеристик. Более того, получаемые покрытия за счет имеющего разветвленную систему пор внешнего слоя позволят дополнительно увеличить площадь контакта между поверхностью имплантата и прилегающими тканями, а также приблизиться к значениям свободной энергии поверхности, оптимальным для адгезии клеток. В ходе направленного синтеза будут сформированы слои, содержащие в себе кальций-фосфатные соединения, в т.ч. гидроксиапатит (ГА). Несомненно, сродство состава поверхности имплантата и минерального состава костной ткани будет способствовать улучшению остеогенерации и остеоинтеграции. Важным также является возможность получения данных соединений непосредственно в процессе синтеза биоактивных покрытий, что обеспечивает эффективность процесса и возможность его масштабирования вплоть до создания производственных установок.
Как упоминалось ранее, наличие развитой системы пор делает возможным внедрение в состав поверхности различных веществ, придающих покрытию новые свойства, и обеспечение таргетной доставки в зону непосредственного контакта имплантата и тканей живого организма. В данном проекте планируется применение фукоксантина, обладающего в дополнение к противораковым и противовоспалительным свойствам также и способностью усиливать остеогенез. Впервые в качестве составляющей гибридных слоев будет применен астаксантин, имеющий выраженную антиоксидантную и противовоспалительную активность. Особый интерес представляет то, что оба данных вещества добываются на Дальнем Востоке России из ресурсов Мирового океана, что обеспечивает возможность непрерывного возобновления источников и импортонезависимость.
С целью предотвращения вероятности возникновения имплантат-ассоциированных инфекций (ИАИ) в проекте будет впервые применен подход, обеспечивающий одновременно защиту от заражения как на ранних, так и на поздних этапах постоперационного восстановления. Так, на первом этапе антибактериальная активность будет обеспечиваться применением катионных стероидных антибиотиков, имитирующих по своему действию антимикробные пептиды. В последующем защита от ИАИ будет пролонгирована за счет присутствия в составе ПЭО-покрытий пентаоксида тантала, обладающего бактерицидным эффектом. Отметим, что оба данных соединения эффективны против антибиотико-резистентных бактерий, наиболее опасных возбудителей ИАИ.
Путем создания гибридных покрытий за счет внедрения в пористую поверхность биополимера, а именно, полидофамина с последующей пришивкой катионных стероидных антибиотиков (церагенинов), будет обеспечен постепенный, послойный релиз вышеописанных веществ.
В представленном исследовании будет детально изучен механизм взаимодействия сразу нескольких возможных сочетаний методик, материалов и биологически активных препаратов. В том числе впервые будет изучено влияние церагенинов, фукоксантина и астаксантина в ходе релиза из биополимер-керамической матрицы.
В течение выполнения проекта впервые будет разработаны новые, уникальные подходы получения имплантатов, имеющих набор критически важных свойств (уникальные механические и электрохимические характеристики, остеогенерация, антибактериальные свойства, противовоспалительный и антиоксидантный эффект, таргетная доставка). Впервые будет изучен и описан механизм не только отдельного взаимодействия и влияния материалов и веществ на ткани организма, но также и их сочетание.
Успешный результат проекта — это показатель нового конкурентоспособного уровня биотехнологий и биомедицины в нашей стране, важность развития которых для российской экономики трудно переоценить. Модернизация технологической базы современного промышленного производства невозможна без массового внедрения новых материалов, базой которых служит отечественное производство. Это стратегически важная позиция государства в наращивании потенциала страны через экономический сектор здравоохранения. Представленный проект способен решить целый ряд комплексных проблем, связанных с болезнями опорно-двигательного аппарата, является первым этапом на пути к проведению клинических испытаний и дальнейшего внедрения имплантатов нового поколения в массовое производство в том числе и за счет применения возобновляемых ресурсов Мирового океана и импортонезависимых решений и технологий. Высокий уровень биотехнологий – это качественное здоровье людей и один из ключевых факторов положительной экономики государства.