ИСТИНА

Проект направлен на разработку фундаментальных аспектов реконструкции костной ткани (в частности, регенерации трубчатых сегментов костей) с использованием тканеинженерных конструкций на основе резорбируемой высокопористой бифазной фосфатной керамики (БФК) с заданной сложной архитектурой, как носителей для клеток-предшественников (скаффолдов). В рамках данного проекта будет затронут актуальный вопрос регенеративной медицины о влиянии структурной-неоднородности скаффолда на процесс регенерации сопряженных тканей человека, обладающих разными функциональными и физико-химическими свойствами. Междисциплинарная задача данного проекта может быть сформулирована как разработка научных основ конструирования и технологии создания структурно-неоднородных имплантатов (СНИ) на основе нового поколения БФК с заданной макропористой архитектурой, сопряженной с вязко-упругой средой типа гидрогеля, для восстановления диафизарных сегментов трубчатых костей, а также создание подходов биологической функционализации СНИ для запуска репаративного остеогенеза. Для решения поставленной задачи необходимо: в материаловедческом аспекте 1) разработать приемы получения фосфатов кальция (ФК) с различными уровнями резорбции, в том числе на основе высокотемпературных соединений в системе Ca3(PO4)2-CaNaPO4 с низким содержанием Na, и заданной гранулометрии для эффективного введения в фоточувствительные суспензии для керамической 3D-печати; 2) выбрать составы суспензий для получения высокопористых материалов путем 3D-печати; разработать способы удаления органической составляющей для сохранения архитектоники материала; 3) определить условия получения БФК с заданными высокотемпературными составами ФК Сa(3-х)Na2xPO4 и определить области термической устойчивости БФК, а также оценить растворимость полученных материалов и уровня создаваемого ими рН; 4) разработать методы получения гидрогелей с различными вязко-упругими свойствами для оптимального сопряжения с керамическими 3D-структурами для получения СНИ; в инженерном аспекте 5) выбрать дизайн скаффолда для создания СНИ, который будет способствовать процессам регенерации различным по своим свойствам тканей на разных уровнях своей конструкции; 6) для создания матриксов с заданной архитектурой и высоким разрешением структуры (не менее 50 мкм) необходимо разработать способ 3D-печати из вязких (более 3 Па·с) высоконаполненных суспензий на основе БФК, а также отработать основные параметры стереолитографической печати; 7) разработать подходы сопряжения высокопористых БФК заданной архитектуры с вязко-упругой средой гидрогеля для получения СНИ; в биомедицинском аспекте 8) разработать подходы для биологической функционализации СНИ с использованием мезенхимных стволовых/стромальных клеток (МСК) и биологически активных компонентов их секретома для созданий условий запуска репаративного остеогенеза, стимуляции васкуляризации и подавления фиброгенеза; 9) исследовать поведение материала и его биологические свойства на клеточных моделях in vitro и на животной модели критического дефекта трубчатой кости in vivo.

The project aims to develop fundamental aspects of bone tissue reconstruction (in particular, regeneration of tubular bone segments) using tissue-engineered structures based on resorbable highly porous biphasic phosphate ceramics with a given complex architecture as carriers for progenitor cells (scaffolds). This project will address the topical issue of regenerative medicine on the effect of structural heterogeneity of the scaffold on the regeneration process of conjugated human tissues with different functional and physical-chemical properties. The interdisciplinary task of this project can be formulated as the development of scientific foundations for the design and technology of structural-inhomogeneous implants based on a new generation of biphasic ceramics with a given macroporous architecture conjugated to a viscoelastic hydrogel-like medium for restoration of diaphyseal segments of tubular bones, as well as the creation of approaches for biological functionalization of porous ceramic media to trigger reparative osteogenesis. In order to solve the set task it is necessary to: In the materials science aspect. 1) to develop methods of obtaining calcium phosphates with different levels of resorption, including those based on high-temperature compounds in the system Ca3(PO4)2 - CaNaPO4 with low Na content and a given granulometry for effective introduction into photosensitive suspensions to create ceramic three-dimensional structures by stereolithography methods; 2) to choose suspension compositions (monomer type and amount, powder amount and necessary additives) for obtaining highly porous ceramic materials by stereolithographic 3D printing; develop methods of removing the organic component to preserve the material architectonics with minimal effect on its framework; 3) to determine conditions for obtaining biphasic ceramics with given high-temperature compositions of double calcium phosphates Ca(3-x)Na2xPO4 and determine the areas of thermal stability of the necessary phases, as well as assess the solubility of obtained biphasic ceramic materials and the level of pH created by them; 4) to develop methods to obtain hydrogels with different viscoelastic properties for optimal interface with highly porous ceramic structures with a given architecture to obtain structurally heterogeneous implants; in the engineering aspect 5) to choose scaffold design for creation of biologically functionalized structurally heterogeneous implant that will facilitate regeneration processes of different tissue properties at different levels of its design; 6) to create three-dimensional matrixes with given architecture and high structure resolution (not less than 50 mcm) it is necessary to use stereolithographic three-dimensional printing, for which the method of printing from viscous (over 3 Pa-s) highly filled suspensions should be developed, and also the basic parameters of stereolithographic printing - critical polymerization energy, polymerization depth, etc. should be worked out 7) development of approaches to conjugate phosphate biphasic highly porous ceramic materials of a given architecture with visco-elastic hydrogel medium to obtain structurally nonuniform scaffolds for repair of diaphyseal segments of tubular bones; in biomedical aspect 8) to develop approaches for biological functionalization of structurally inhomogeneous implants using mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) and biologically active components of cell secretome to create conditions for starting reparative osteogenesis, stimulate vascularization and inhibit fibrogenesis; 9) to study the behavior of the material and its biological properties on the cell models in vitro and in the animal model of critical defect of tubular bone in vivo.

Таким образом, в результате 1-го года выполнения проекта (2023-2024 гг.) будут - Синтезированы исходные порошковые компоненты для наполнения фоточувствительных суспензий; - Получены первые данные по уточнению фазовой диаграммы; - созданы модельные керамические макропористые материалы с различной архитеутрой и долей порового пространства; - начаты работы по оценке цитотоксичности модельных материалов, а также проведено исследование их влияния на адгезию и морфологию модельных клеток; - отработаны методы детекции функциональных свойств клеток на скаффолдах разного вида - начата работа по разработке методики сопряжения гидрогелевых и керамических материалов; - начата работа по разработке термической программы для равномерного удаления органической составляющей из прекерамических заготовок, для последующего спекания; В результате 2-го года выполнения проекта (2024-2025 гг.) будут: - продолжены работы по получению керамических материалов с заданной архитектурой на основе бифазной керамики; - продолжение исследований процессов уплотнения керамических материалов, как на модельных образцах, так и со сложной архитектурой; - продолжены исследования in vitro: оценка биологических свойств полученных материалов с использованием иммортализованных МСК человека с последующей валидацией результатов; - апробация различных методов сопряжения керамических материалов с гидрогелевыми средами; - исследование механических свойств материалов изготовленных на предыдущем этапе; - начало работ по экпсериментам in vivo; 3-ий год выполнения проекта (2025-2026 гг.) будет посвящен: - апробированию методов комбинации материалов с различным набором градиентных свойств; - апробированию получения многослойных структурно-неоднородных имплантатов на основе бифазной кальцийфосфатной керамики, сопряженной с гидрогелевыми биологически функционализированными средами; - проведению исследований in vivo и дополнительным исследованиям in vitro.

Исследования и разработка способов получения различных моно- и многофазных керамических материалов (на примере фосфатов кальция), композиционных материалов, составов с вяжущими свойствами на основе гидроксиапатита, трикальцийфосфата, пирофосфата кальция, двойных фосфатов кальция и щелочных металлов (натрия или калия) и использования для их формования различных методов аддитивных технологий (за последние 5 лет) была поддержана в рамках ряда научно-исследовательских проектов. Результаты работ опубликованы более чем в 50 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах, доложены на отечественных и зарубежных конференциях, на технические решения получены патенты РФ