![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Центральная задача данного проекта может быть сформулирована как разработка научных основ технологии создания остеокондуктивных композиционных материалов с вязкоупругими свойствами на основе наполненных фосфатами кальция полимерных гидрогелей, сшитых в процессе 3D-фотолитографии, и разработка обоснованных приемов их использования при реконструкции костной ткани. Для решения поставленной задачи необходимо: в материаловедческом аспекте 1) выбрать порошки фосфатов кальция (на основе их резорбируемости, возможности создание с их помощью слабокислых рН в зоне остеогенеза, на основе их способности к сорбции белков); разработать приемы их синтеза для обеспечения необходимой гранулометрии, способствующей эффективному армированию гидрогеля; 2) разработать способы наполнения геля выбранными фосфатами кальция (имея в виду два принципиально различных подхода: предварительное введение частиц фосфатов кальция в мономер до фотополимеризации и выращивание кристаллов фосфатов кальция в уже заполимеризованном геле за счет диффузии одного из компонентов извне); оценить влияние степени наполнения и размера частиц фосфатов на модуль Юнга и величину обратимой деформации гелевого композита; в инженерном аспекте 3) выбрать тип архитектуры макропористого геля (простая решетка или трехмерная поверхность), исходя из соображений высокой физической проницаемости и условий его дальнейшего медицинского применения (закрытие входа в область дефекта, упругое заполнения дефекта целиком или для выстилки краев дефекта при заполнении его остеокондуктивной керамикой); 4) определить состав фотосуспензии (тип мономера, фотоинициатор, добавки, степень наполнения порошком фосфата кальция) и отработать основные параметры стереолитографической трехмерной печати; в биомедицинском аспекте 5) провести токсикологические исследования полученного материала для определения его безопасности (цитотоксичности) 6) провести изучение поведения материала и его биологических свойств (остеокондуктивность, биорезорбируемость, остеоиндуктивность) при внедрении его в дефект костной ткани лабораторных животных и последующего всестороннего изучения для выработки рекомендаций для клинического изучения применения данного материала у человека. Масштаб поставленной задачи обусловлен актуальностью проблемы реконструкции костной ткани, как одного из вида высокотехнологической медицинской помощи, как в РФ, так и за рубежом. Заявленный к разработке материал относится к 4-ому поколению материалов для костной пластики; работа в этом направлении необходима для опережающего развития фундаментальных исследований в данной области. Следует также отметить, что решение материаловедческих и инженерных аспектов задачи лежат в русле перспективных направлений развития науки и техники в РФ – разработка новых материалов и цифровых технологий их производства (в частности, аддитивных технологий), а также применение персонализированного подхода в медицине. Научная новизна поставленной задачи, состоит в использовании наполненного резорбируемыми фосфатами гидрогеля с определенной морфологической архитектурой, создаваемой в процессе фотолитографической 3D-печати, в качестве тканеинженерной конструкции при реконструкции костной ткани в области дефекта произвольной формы предлагается впервые. Таким образом, гибридные композиты (слоистый фосфат кальция)/гидрогель со специфической макропористой архитектурой, созданной при помощи стереолитографической 3D-печати, для заполнения костного дефекта произвольной формы с целью реконструкции костной ткани предлагаются впервые в рамках данной заявки. Следует отметить, что каждый элемент предлагаемой конструкции имеет четко определенное предназначение. Слоистые фосфаты кальция (брушит – СаНРО4•2Н2О и октакальциевый фосфат ОКФ – Са8(НРО4)2(РО4)6•5Н2О): во-первых, в силу пластинчатой морфологии их кристаллов обеспечивают более эффективное армирование геля, позволяя варьировать его упругие свойства и компенсировать излишнее увеличение объема при разбухании геля, во-вторых, их слоистая структура приводит к увеличению сорбционной емкости в отношении остеогенных белков, что позволяет в процессе деградации композита иметь постоянную концентрацию этих белков в области зарастающего дефекта, способствуя тем самым протеканию остеоиндуктивного костеобразования, т.е. во всем объема дефекта, а не только на интерфейсе материал/нативная кость. Для обеспечения последней характеристики немаловажным является факт высокой резорбируемости указанных фосфатов: их деградация высвобождает (ад)сорбированные активные белки. Гидрогели активно используются в регенеративной медицине, в данном проекте помимо их известного регенеративного потенциала предполагается использовать их эластичность и способность к набуханию для обеспечения полного заполнения костного дефекта с плотным прилеганием композитного материала к стенкам дефекта; это необходимо для эффективного остеогенеза. Созданная за счет 3D-печати архитектура со связными макропорами должна также способствовать увеличению деформируемости композита. Однако, основное назначение такой архитектуры – обеспечение остеокондуктивных свойств материала, способствование прорастанию в материал кости de novo вместе с кровеносными сосудами, обеспечению адгезии и пролиферации костных клеток и их предшественников на поверхности макропор. Для усиления адгезионных свойств поверхности макропор в рамках работы предполагается опробовать их покрытие слоем фосфатов кальция (в частности, вышеупомянутых слоистых фосфатов). Наконец, связная система макропор композитной конструкции должна быть наполнена физиологически активными веществами и/или активными клеточными культурами самого пациента для запуска остеоиндуктивного костеобразования сразу после имплантации. Планируемый к созданию инновационный материал для регенерации костной ткани относится к имплантационным материалам 4-го поколения, отдельные представители которых находятся на стадии лабораторных разработок в ведущих научных коллективах за рубежом. В РФ исследования, направленные на разработку подобных материалов, пока отсутствуют. Необходимо также отметить, что цифровые АТ-методы производства, которые будут применены для создания описанных биоконструкций, позволят не только с высокой точностью и высоким пространственным разрешением наделить материал специфической макропористой архитектурой, но и придать такой конструкции любую внешнюю (макроскопическую) форму для удобства ее адаптации к конкретному костному дефекту.
The main objective of this project can be formulated as the development of scientific foundations for the technology of creating osteoconductive composite materials with viscoelastic properties based on filled with calcium phosphate polymer hydrogels cross-linked in the process of 3D photolithography and the development of reasonable methods for their use in bone tissue reconstruction. To solve this task, it is necessary: In material science aspect 1) select calcium phosphate powders (based on their resorbability, the possibility of creating with their help a weak acid pH in the zone of osteogenesis, on the basis of their proteins sorption ability); to develop methods for their synthesis to provide the necessary granulometry, which contributes to the effective hydrogel reinforcement; 2) to develop methods for gel filling with selected calcium phosphates (having in mind two fundamentally different approaches: the preliminary introduction of calcium phosphate particles into monomer before photopolymerization and the growth of calcium phosphate crystals in the already polymerized gel due to diffusion to one of the components from the outside); to evaluate filling degree influence and particle size of phosphates on the Young's modulus and the magnitude of the reversible gel composite deformation; in engineering aspect 3) choose the type of macroporous gel architecture (simple lattice or three-dimensional surface), based on considerations of high physical permeability and the conditions for its further medical application (closure of the entrance to defect area, elastic filling of the defect entirely, or for lining the defect edges when filling it with osteoconductive ceramics); 4) determine the composition of the photosuspension (monomer type, photoinitiator, additives, degree of calcium phosphate powder filling) and work out the main parameters of stereolithographic 3D printing; In biomedical aspect 5) to perform toxicological received material studies to determine its cytotoxicity; 6) To study the behavior of the material and its biological properties (osteoconductivity, bioresorbability, osteoinductivity) when introducing it into the bone defect and subsequent laboratory animals comprehensive study to develop recommendations for clinical trials using this material in humans. The scope of the task is determined by the urgency of bone tissue reconstruction problem, as one of the high-tech medical care, both in Russia and abroad. The material claimed for development relates to the 4th bone-plastic materials generation; work in this direction is necessary for the advanced development of fundamental research in this field. It should also be noted that the solution of materials science and engineering aspects of the problem lie in the direction of promising trends in the development of science and technology in the Russian Federation - the development of new materials and digital technologies for their production (in particular, additive technologies), and the application of a personalized approach in medicine. The scientific task novelty is to use a hydrogel filled with resorptable phosphates with a certain morphological architecture created in the process of photolithographic 3D printing, as a tissue engineering design for the reconstruction of bone tissue in the region of a defect of an arbitrary shape is proposed for the first time. Thus, hybrid composites (layered calcium phosphate) / hydrogel with a specific macroporous architecture created by stereolithographic 3D printing, for filling arbitrary shape bone defect for the purpose of bone reconstruction are proposed for the first time within the framework of this application. It should be noted that each element of the proposed design has a clearly defined purpose. Layered calcium phosphates (brushite - CaHPO 4 • 2H2O and octacalcium phosphate OCP - Са8(HPO4)2(PO4)6 • 5H2O): firstly, because of its lamellar crystals morphology more effective reinforcement of gel, which allows to modify its elastic properties and offset excessive increase in volume during swelling of the gel, and secondly, their layered structure results in increased amount of brominated containers against osteogenic proteins, which makes it possible in the degradation process of the composite to have a constant concentration of these proteins in the region of the overgrowing defect, thereby promoting the course of osteoinductive bone formation, i. e. in all the defect volume, and not only on the interface material / native bone. To ensure the latter characteristics, it is important that these phosphates are highly resorbable: their degradation releases (ad)sorbed active proteins. Hydrogels are actively used in regenerative medicine; in this project, in addition to their known regenerative potential, it is proposed to use their elasticity and swelling capacity to ensure full filling of the bone defect with a tight fit of the composite material to the walls of the defect; this is necessary for effective osteogenesis. The architecture created with 3D-printing with connected macropores should also help increase the deformability of the composite. However, the main purpose of this architecture is to ensure the osteoconductive properties of the material, to promote the de novo bone into the material together with the blood vessels, to ensure the adhesion and proliferation of bone cells and their precursors on the macropores surface. In order to enhance the adhesion properties of the macroporous surface, it is proposed to test their coating with a layer of calcium phosphate (in particular, the above-mentioned layered phosphates). Finally, the connected system of macropores of the composite structure must be filled with physiologically active substances and / or active cell cultures of the patient himself for triggering osteoinductive bone formation immediately after implantation. The innovative material for bone tissue regeneration planned for creation is related to 4th generation implantation materials, some of whose representatives are at the stage of laboratory development in leading research teams abroad. In the Russian Federation, studies aimed at developing such materials are not available yet . It should also be noted that the digital AM-methods of production, which will be used to create the described bioconstructions, will allow not only to give the material a specific macroporous architecture with high accuracy and high spatial resolution, but also to give any external (macroscopic) form to such a design for the convenience of its adaptation to a specific bone defect.
Будут получены новые научные и технологические результаты в рамках трех основных аспектов, составляющих данный проект: 1) материаловедческом - выборе новых резорбируемых слоистых кальцийфосфатных наполнителей для создания гибридных композитов гидрогель/фосфат кальция, 2) инженерном – цифровой технологии изготовления остеокондуктивных тканеинженерных конструкций со специальной архитектурой порового пространства, 3) медицинском – разработке способов заполнения костного дефекта сложной формы для обеспечения прямого заживления костной ткани в области дефекта. 1) Впервые будут предложены теоретические и экспериментальные приемы построения областей существования фосфатов кальция в растворах, что может быть использовано и в более широком плане для выбора условий направленного синтеза фосфатов кальция. Будут апробированы различные методики и условия синтеза «интеркалированного» ОКФ (октакальциевого фосфата) с использованием различных буферных растворов и кальцийфосфатных субстратов. Решение вопроса о возможности варьирования х в «интеркалированном» ОКФ Са8(НРО4)2-хRx(PO4)4•5H2O с замещением гидрофосфата- на R=сукцинат-анион позволит сделать заключение о возможности и перспективности дальнейших работ по инкапсулированию в ОКФ различных физиологически-активных веществ и лекарственных препаратов. Это представляется важным для создания минерального наполнителя, который имеет не только армирующую функцию, но и функцию «депо» веществ, активных в процессе остеогенеза. Фундаментальным аспектом работы данного этапа является изучение влияния случайного армирования жесткими 2D частицами на реологию композита. В рамках данного проекта это важно для придания композитам необходимых механических свойств и регулирования набухания геля. 2) Разработка способов наполнения гидрогеля и отработка режимов печати композита в определенные моменты времени будут вестись параллельно. Впервые будет отработана технология стереолитографии суспензий слоистых резорбируемых фосфатов в светоотверждаемых полимерах: будет выбран полимер и сенсибилизатор; определены следующие взаимосвязанные параметры – доза светового облучения, размер частиц порошка в суспензии, доля твердой фазы, эффективность рассеяния. Качество получаемых композитов будет оценено по рентгенографическому, микроскопическому и томографическому контролю. Полученные результаты будут обобщены для разработки физико-химических основ первой отечественной технологии получения гибридных композитов методами стереолитографии. 3) В рамках проекта впервые в РФ будут проведены исследования, направленные на разработку достоверной системы тестирования in vivo остеозамещающих материалов, используя модель малого лабораторного животного. Будут предложены варианты создания костного дефекта в диафизарной части кости, созданы натурные пластиковые модели-фантомы с предложенными дефектами при помощи термоэкструзионной 3D-печати для планирования операций по имплантированию; разработан дизайн операций. Полученные результаты впервые позволят проследить взаимосвязь архитектура матрикса – целевое свойство (прочность, резорбция, проницаемость) – поведение in vitro – поведение in vivo, которая является первым шагом для разработки численной модели поведения подобного материала в организме. Попытки разработать такие модели – ведущий тренд современных исследований в области биоматериалов. Результаты будут представлены на отечественных и международных конференций; а также в виде серии статей в отечественных и международных журналах. Следует отметить здесь важность результатов медико-биологических испытаний, которые не только сообщают достоверность сделанным выводам относительно перспективы применения подобных материалов, но и являются необходимым условием для публикации результатов в международных журналах высокого уровня. Результаты выполнения проекта нацелены на разработку и производство материалов для реконструкции костной ткани – непременный атрибут экономики развитой страны; помимо чисто социального аспекта (здоровье народонаселения) полученные в рамках проекта результаты обеспечивают важный компонент национальной безопасности - импортозамещение. Основные параметры рынка аллопластических материалов в течение ряда лет демонстрируют достаточно высокие показатели (оборот 3.3 млрд.$ в 2017 г и рост около 8% в год), равно как и потребности отечественного здравоохранения в костных имплантатах 160-220 тыс. единиц в год, т. е. около 1 единицы на 1000 человек населения, с учетом регистрируемого уровня травматизма не менее 20 миллионов костных травм/год. В то же время, за последние годы особенно остро встала потребность в разработке и локализации производства таких материалов в Российской Федерации в связи с обеспечением национальной безопасности и реализации программ импортозамещения. Разработанные физико-химические основы производства таких материалов имеют более широкое значение: они будут значимы не только для реконструкции костной ткани, но и для разработки новых медицинских технологий, связанных с лечением других тканей организма.
Достижимость решения поставленной задачи, а также возможность получения запланированных результатов обусловлены: 1. Высокой квалификацией участников проекта. Коллектив проекта является одним из признанных лидеров в области разработки и исследования биоматериалов, предназначенных для реконструкции костной ткани, в России. Все члены коллектива имеют успешный опыт проведения фундаментальных и прикладных исследований в данной области в качестве руководителей и/или исполнителей проектов РНФ, РФФИ, ФЦП. 2. Существенным заделом коллектива как в области разработки фосфатных материалов нового фазового и химического состава, так и в области технологии получения из них остеопроводящих керамик и композитов с различной архитектурой. Этот задел подтвержден многочисленными публикациями в научной периодике, выступлениями на отечественных и зарубежных конференциях по данной тематике, техническими решениями, защищенными патентами РФ. 3. Наличием необходимого современного технологического оборудования и приборной базы, позволяющими провести заявленное исследование на мировом уровне. Помимо наличия в составе участников проекта практикующих специалистов в области хирургии костной ткани, коллектив участников проекта имеет устойчивые научные связи с медико-биологическими организациями для проведения дополнительных испытаний полученных материалов и получения квалифицированных консультаций. 4. Немаловажным является и тот факт, что участники проекта имеют за плечами успешно завершенный проект РНФ по создания остеопроводящей керамики из фосфатов кальция с помощью стереолитографической 3D-печати. Полученный в рамках этого проекта опыт изготовления макропористых материалов с заданной архитектурой позволяет избежать неизбежный в такого рода работах период проб и ошибок при отработке технологии стереолитографической 3D-печати.
New scientific and technological results within the three main aspects that make up this project will be generated: 1) materials science - selection of new layered calcium phosphate resorbable fillers for hybrid composites, the hydrogel/calcium phosphate, 2) engineering – digital manufacturing technology osteoconductive tissue-engineered structures with special architecture of the pore space, 3) biomedical – development of ways to fill the bone defect of complex shape to ensure the direct healing of bone tissue in the defect area. 1) Theoretical and experimental techniques to create regions of existence of calcium phosphates in solutions that can be used more broadly to select conditions for the directed synthesis of calcium phosphates will be offered for the First time. Different methods and conditions of synthesis of the "intercalated" OCP (octacalcium phosphate) using different buffer solutions and the calcium-phosphate substrates will tested . The question of the possibility of varying x in the "intercalated" OKF SA8(НРО4)2-хRx(PO4)4•5H2O with a replacement phosphate to R=succinate anion will make the conclusion about the possibility and prospects of further work on the encapsulation of the OCP in different physiologically-active substances and medicinal products. It is important to create a mineral filler, which has not only the reinforcing function, but the function of the "depot" compounds active in the process of osteogenesis. A fundamental aspect of this stage is to study the influence of random reinforcement rigid 2D particles on the rheology of the composite. In this project, it is important to make the composites of desired mechanical properties and regulation of swelling of the gel. 2) Development of methods for filling the hydrogel and development of the printing modes of the composite in certain moments in time will be conducted in parallel. For the first time, the technology of stereolithography 3D-printing with suspensions filled with layered resorbable phosphate in light-curing polymers are to be elaborated: polymer and photoinitiator will be suggested; the following interrelated parameters, and the dose of light irradiation, particle size of the powder in suspension, the proportion of the solid phase, the scattering efficiency will be determined. The quality of the resulting composites will be evaluated using radiographic, tomographic and microscopic control. The obtained results will be summarized for the development of physicochemical foundations for the first domestic technology of obtaining of hybrid composites by the methods of stereolithography. 3) In the framework of the project for the first time in Russian studies a reliable test system in vivo for osteogenesis materials using the model of a small laboratory animal will be developed. Options for the creation of the bone defect in the diaphyseal portion of the bone will be proposed , full-scale plastic models-the phantoms with the proposed defects using FDM 3D printing for planning operations for implantation will be created ; design operations will be created. The results obtained for the first time will allow to trace the relationship of the architecture of the matrix – the target property (strength, absorption, permeability) - behavior in vitro behavior in vivo, which is the first step for developing a numerical model of the behaviour of such material in the body. Attempts to develop such models is leading trend of modern research in the field of biomaterials. The results will be presented at domestic and international conferences; and in a series of articles in national and international journals. It should be noted here the importance of the results of biomedical tests, which are not only misleading the accuracy of the conclusions regarding the prospects of application of such materials are a prerequisite for the publication of results in international journals of high level. The results of the project aimed at the development and production of materials for reconstruction of bone tissue – an indispensable attribute of the economy of a developed country; in addition to the purely social aspect (health of population) obtained in the framework of the project results provide an important component of national security, import substitution. The main parameters of the market alloplastic materials for a number of years show a fairly high performance (turnover of 3.3 billion$ in 2017 and 8% growth per year), as well as the needs of the national healthcare system in bone implants 160-220 thousand units per year, i.e. about 1 per 1000 persons of the population, taking into account the recorded level of injuries at least 20 million skeletal injuries/year. At the same time, in recent years, especially acute need for the development and localization of production of such materials in the Russian Federation in connection with the provision of national security and implementation of programs of import substitution. The physical and chemical bases of production of such materials have a wider significance: they are significant not only for the reconstruction of bone tissue, but also for the development of new medical technologies related to the treatment of other tissues of the body.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 31 июля 2017 г.-30 июня 2018 г. | Остеокондуктивные композиты на основе фотополимеризованных гидрогелей с заданными вязко-упругими свойствами, изготовленные при помощи стереолитографической 3D-печати для персонализированной реконструкции костной ткани |
Результаты этапа: 1. На основе детального теоретического и экспериментального анализа ионных равновесий в растворах определена область сосуществования фаз ОКФ и брушита в координатах Т-рН; полученные результаты были использованы для определения условий синтеза фаз ОКФ. Были апробированы различные варианты синтеза ОКФ с целью разработки эффективной препаративной методики. Наиболее эффективным методом синтеза оказался гидролиз свежеприготовленного брушита в буферном растворе ацетата натрия и уксусной кислоты при pH 5,75, температуре T=60°C и времени синтеза 1 час. Сукцинат-замещенный ОКФ Са8(НРО4)2-хSucx(PO4)4·5H2O с х=0,8÷0,9 был синтезирован при pH=5,5, T=60°C в течение t=3 ч гидролизом α-ТКФ в 0.25М янтарном буферном растворе, однако способы контроля степени замещения х пока не ясны. Продукт сукцинат@ОКФ демонстрирует большую устойчивость к термолизу по сравнению с чистым ОКФ; апатитоподобный продукт устойчив вплоть до 630°С. Проведено исследование влиянии условий синтеза брушита осаждением из растворов хлорида кальция и гидро-/дигидрофосфата натрия и ОКФ гидролизом брушита и ТКФ в буферных растворах на гранулометрический состав получаемых фаз. Показано, что оперируя тремя параметрами (факторами) синтеза – концентрацией раствора солей (буфера), температурой, рН (причем последние два фактора являются важными в плане получения однофазного продукта) удалось синтезировать кристаллы брушита и ОКФ со средними размерами кристаллов порядка 10 мкм, что приемлемо для наполнения ими фотополимеризуемых гидрогелей. 2. Для изготовления фотосуспензии в мономер с молекулярной массой до 700 Да (или смесь мономера с водой) вводили фотоинициатор, краситель и до 10% брушита или ОКФ, синтезированных вышеописанными способами. Визуально суспензии не расслаивались в течение 6 часов, что гарантированно превышает срок печати изделия-имплантата. Качественное соответствие седиментационной устойчивости суспензий с рассчитанной по закону Стокса свидетельствует об отсутствии сильной агрегации кристаллов наполнителей в мономере. Используя установленные в работе параметры стереолитографической печати, были изготовлены методом стереолитографической 3D-печать на DLP-принтере Ember с послойной разбивкой вдоль оси z в 200 мкм пробные образцы композитных имплантатов ОКФ/ПЭГ-ДА-700-гидрогель (с красителем Е104 в качестве УФ-поглотителя) в форме цилиндра (диаметр 6мм, высота 10-12 мм) с гироидной архитектурой. Выращивание кристаллов брушита в гидрогеле ПЭГ-ДА осуществлялось с помощью диффузии ионов HPO42-/H2PO4- или Ca2+ из раствора в объем геля, содержащего Са2+ или HPO42-/H2PO4-, соответственно. С точки зрения однородности наполнения геля кристаллами фосфатов кальция и контроля этого процесса заполнение мономера готовыми кристаллами брушита или ОКФ, а затем полимеризацию суспензии, следует рассматривать по результатам выполнения данного этапа как наиболее приемлемый вариант. Следует отметить, что введенный в суспензию наполнитель играет также роль поглотителя и рассеивателя излучения, уменьшая глубину полимеризации, позволяя тем самым, уменьшать толщину межслоевой разбивки при печати, что приводит к улучшению латерального разрешения стереолитографической печати. 3. Был проведен выбор компонентов фотосуспензии. В качестве биосовместимого мономера, который полимеризуется под действием внешнего излучения в присутствии фотоинициатора, был выбран полиэтиленгликоль диакрилат ПЭГ-ДА ( с различной молекулярной массой). В состав суспензии для фотополимеризации также входят: мономер, вода, водорастворимый фотоинициатор, краситель, брушит/ОКФ или соль Сa2+/HPO42-. Наличие воды в составе фотосуспензии необходимо для достижения вязкоупругих свойств конечного материала. Наличие красителя важно для подавления быстро протекающей полимеризации мономера и для достижения высокого разрешения в ходе 3D-печати. Исследование фоточувствительности суспензий выявило основную проблему стереолитографической печати гидрогелей: без наполнителя и красителя фоточувствительность оптически прозрачной среды такова, что даже небольшое превышение дозы облучения над критической сразу полимеризует мономер на глубину более 1мм, что даже при хорошем латеральном разрешении в 50 мкм при послоевой разбивке печати менее 1мм будет происходить полимеризация неэкспонированного участка предыдущего слоя, т.е. разрешение по оси z будет низким. Добавление красителя позволяет понизить чувствительность так, что глубина полимеризации не превышает 1 мм вплоть до доз порядка 400 мДж/см2. Введение до 10 вес.% наполнителя (кристаллов брушита или ОКФ) приводит к еще более существенному снижению чувствительности: глубина полимеризации становится меньше 0.2 мм вплоть дозы 260 мДж/см2. В ходе данной работы была предпринята попытка оценить характер вязко-упругого поведения ПЭГ-ДА гидрогелей в зависимости от молекулярной массы мономера (575 и 700 Да), времени УФ-воздействия (дозы облучения): посредством настольной УФ-лампы или УФ-лампы DLP-принтера Ember; различного набухания образцов (предельно набухшие и сухие) составляет примерно 0,05 и близок к нулю, что типично для сшитых полимерных сеток. Полученные значения компонент модуля сдвига и фактора потерь показывают, что с увеличением длины цепи мономера ПЭГ-ДА фактор потерь возрастает до 4-6°, а упругая компонента модуля сдвига значительно уменьшается до 32-45 кПа, что можно связать с наличием большего числа С-Н связей и большей гибкостью/эластичностью единичного фрагмента. 4. Была предложена система формирования, заполнения и фиксации дефекта бедренной кости крысы, позволяющая проводить изучение свойств новых костно-замещающих материалов in vivo с высокой степенью надежности. В качестве потенциальной модели были выбраны диафизарные дефекты, поскольку дефекты в метафизарной зоне у крыс очень невелики и не могут в полной мере считаться критическими. В качестве объекта была выбрана бедренная кость крысы как самая большая в её организме и позволяющая варьировать размеры дефекта. В качестве вариантов были рассмотрены окончатый дефект, получаемый при сверлении диафиза насквозь, монокортикальный дефект и полный дефект. Окончательно был выбран в качества модели монокортикальный дефект костной ткани. Для разработки вариантов создания костного дефекта была проведена компьютерная микротомография (микроКТ) с использование компьютерного рентгеновского микротомографа бедренной кости крысы для создания трехмерной модели. Для создания натурных моделей фантомов бедренной кости крысы был использован стереолитографический SLA 3D-принтер Form2. В результате были получены натурные модели фантомов бедренной кости крысы. Для проверки остеокондуктивных и прочих свойств новых материалов предложен следующий сценарий операции. Выбор количества винтов для фиксации пластины апробирован в предварительном исследовании in vivo на модели монокортикального дефекта крысы. | ||
2 | 1 июля 2018 г.-30 июня 2019 г. | Остеокондуктивные композиты на основе фотополимеризованных гидрогелей с заданными вязко-упругими свойствами, изготовленные при помощи стереолитографической 3D-печати для персонализированной реконструкции костной ткани |
Результаты этапа: За отчётный период была подобраны и апробированыа наиболее подходящие методики синтеза чистого и «интеркалированного» ОКФ (подобраны наиболее подходящие буферные растворы - ацетатный, адипиновый и янтарный, а также кальцийфосфатный субстраты – брушит и α-ТКФ). В перспективе необходимо определить условия надежного синтеза цитрат@ОКФ. Кроме того, необходимы дальнейшие работы по инкапсулированию в ОКФ различных физиологически-активных веществ и лекарственных препаратов (не только на основе ди – или трикарбоксилатов, но и других классов органических соединений - аминоскислот, окси- и оксокислот, аминосодержащих соединений). Это представляется важным для создания минерального наполнителя, который имеет не только армирующую функцию, но и функцию «депо» веществ, активных в процессе остеогенеза. Обработка гелей, содержащих частицы α-ТКФ, в различных растворах, при условиях, использованных для синтеза ОКФ и зОКФ, только в случае обработки в воде при 60°С дает однозначное свидетельство образования ОКФ. Вероятно, скорость диффузии молекул дикарбоксилатов в гель значительно ниже скорости диффузии воды. Кроме того, возможна избирательная адсобция кислот и анионов, составляющих буфер, гелевой матрицей. Это означает, что рН условия могут быть скорректированы в сторону большей кислотности. При наполнении фотосуспензии готовыми кристаллами фосфатов кальция они играют роль как поглотителя, так и рассеивателя излучения, что приводит к уменьшению глубины полимеризации и ухудшению латерального разрешения. Введение до 10 масс. % наполнителя (кристаллов брушита или ОКФ) приводит к еще более существенному снижению фоточувствительности: глубина полимеризации становится меньше 0.2 мм вплоть до 240 мДж/см2 . В первом приближении при одинаковой доле наполнения разница между брушитом и ОКФ не заметна, что можно связать с близостью гранулометрии и морфологии кристаллов наполнителя. Это говорит о том, что если в случае красителя основный механизм ослабления света – поглощение, то при наполнении наблюдается рассеяние света на частицах с бОльшим, чем у мономера, показателем преломления. В композите наблюдается равномерное распределение частиц по объему, при этом морфология поверхности гидрогелевой фазы сохраняется по сравнению с ненаполненными материалами. Введение наполнителя подавляет полимеризацию ПЭГ-ДА и препятствует сшивке мономерных звеньев, в результате чего образуются более длинные структурные звенья, которые могут придать композиту дополнительную гибкость (уменьшить жесткость). Скорость набухания композитов гидрогель/фосфат кальция сопоставима с «пустыми» гидрогелями (выход на постоянное значение после 1,5 часов вымачивания). При увеличении доли наполнителя или уменьшении гранулометрии порошка (в случае ОКФ) предел набухания уменьшается (вплоть до 10%) из-за адсорбции молекул H2O пластинчатыми частицами ОКФ и брушита. Контролируя состав исходной фотосуспензии (количество воды, доля твердого наполнителя, гранулометрия наполнителя), можно управлять набуханием гидрогелей, в том числе предотвращать их избыточное набухание. Показано, что введение кальций-фосфатного наполнителя снижает степень конверсии С=С гидрогеля, усиливает вклад от вязкого элемента в реологическом описании материала и повышает статический предел прочности при сжатии. Толщина покрытия, осажденного из межтканевой искусственной жидкости 5 напрямую зависит от времени выдержки и pH 5xSBF, чем больше эти параметры, тем толщина и сплошность покрытия будет выше. В случае структуры Гироид, морфология слоя представляет собой пластинчатые, перпендикулярно ориентированные к поверхности композита достаточно хорошо окристаллизованные частицы, перекрывающиеся между собой. Видно, что некоторые области агрегатов имеют разные по степени сформированности кристаллиты в своей структуре, что может быть связано с разным временем зарождения и формирования кристаллитов, а также, вероятно, связано с Оствальдовским созреванием. Толщина такого сплошного покрытия для структуры Гироид уже через 3 дня составляет 2±0,5 µm. Разработанная модель операции действительно является проводимой на критическом дефекте и позволяет проводить изучение биологических свойств костнопластических материалов (способность к биодеградации, остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства). Материалы на основе гидрогелей биодеградируют быстрее, чем керамика из ТКФ. Остеокондуктивные свойства материала с архитектурой Кельвина выше, чем с архитектурой гироид для данных типов гидрогелей. Полученные результаты были представлены в 2018 – 2019 гг на отечественных и международных конференциях: 1. Scandinavian Society for Biomaterials 2019 Conference. 12th–14th June 2019, Långvik Congress Wellness Hotel, Kirkkonummi, Finland. Стендовый доклад. 2. Ломоносов 2.0. Юбилейные Ломоносовские чтения. Открытый конкурс научных работ по химии и наукам о материалах. 15-16 апреля 2019 г., Москва, МГУ имени М.В.Ломоносова. Устный доклад победителя в заочном туре (с ограничением по возрасту), приглашенный. 3. Conference yCAM 2019, Уoung Ceramists Additive Manufacturing Forum, April 3-5 2019, Université de Mons Mons, Belgium. Стендовый доклад. 4. Biomaterials and Novel Technologies for Healthcare, 2nd International Biennial Conference BioMaH. October 8th-11th 2018, CNR edizioni, Roma, Frascati (RM), Italy. Устный доклад - победитель молодежной секции. 5. Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы. Открытая школа-конференция стран СНГ. 1-5 октября 2018 г., Уфа: РИЦ БашГУ г. Уфа. Устный доклад. 6. Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах (ФАГРАН-2018). VIII Всероссийская конференция с международным участием, посвященная 100-летию Воронежского государственного университета, 8-11 октября 2018 г. 7. III Всероссийский Конкурс молодых преподавателей вузов 2018 г. в рамках Международного молодежного научного форума «Ломоносов». 2 Устных доклада победителя в заочном этапе, приглашенные. 8. Первая встреча с молодыми учеными Химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова на базе Школы №1259 в 2018 году, 10 октября 2018 года. Устное выступление, приглашенное Правительством Москвы. 9. Volga Neuroscience Meeting 2018 (VNM-2018), July 22-27, 2018, Nizhny Novgorod – Samara – Nizhny Novgorod, Russia, Стендовый доклад. Данные о предоставлении достигнутых научных результатов на научных мероприятиях, не вошедшие в отчёт 2017-2018 г.: 1. Conference yCAM-2018, young Ceramists Additive Manufacturing Forum, May 3-4 2018, Padova, Italy. Стендовый доклад. Полученные результаты были представлены в виде статей в следующих журналах: 1. Дубров В.Э., Климашина Е.С., Щербаков И.М., Шипунов Г.А., Путляев В.И., Евдокимов П.В., Тихонов А.А., Гулько С.В., Зюзин Д.А. (Dubrov V., Klimashina E., Scherbakov I., Shipunov G., Putlayev V., Evdokimov P., Tikhonov A., Gul'ko S., Zyuzin D.) Возможности и перспективы использования материалов на основе гидрогелей для регенерации тканей человека. Вестник трансплантологии и искусственных органов (2019 г.) 2. Дубров В.Э.,Климашина Е.С.,Щербаков И.М.,Шипунов Г.А.,Путляев В.И.,Евдокимов П.В.,Тихонов А.А.,Зюзин Д.А.,Данилова Н.В.,Мальков П.Г. (Dubrov V.E., Klimashina E.S., Scherbakov I.M., Shipunov G.A., Putlayev V.I., Evdokimov P.V., Tikhonov A.A., Zyuzin D.A., Danilova N.V., Malkov N.V.) Экспериментальная оценка свойств 3D-пористого материала на основе фосфата кальция на модели монокортикального диафизарного дефекта бедренной кости крысы. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины (Bulletin of Experimental Biology and Medicine), Автономная некоммерческая организация Издательство Российской академии медицинских наук (Springer New York Consultants Bureau), Москва (2019 г.) 3. Тихонов А.А., Кукуева Е.В., Евдокимов П.В., Климашина Е.С., Путляев В.И., Щербаков И.М., Дубров В.Э. (Tikhonov A.A., Kukueva E.V., Evdokimov P.V., Klimashina E.S., Putlyaev V.I., Shcherbakov I.M., Dubrov V.E.) Synthesis of Substituted Octacalcium Phosphate for Filling Composite Implants Based on Polymer Hydrogels Produced by Stereolithographic 3D Printing. Inorganic Materials, Pleiades Publishing, Ltd (2018 г.) 4. Тихонов А.А., Евдокимов П.В., Путляев В.И., Климашина Е.С., Тихонова С.А., Щербаков И.М., Дубров В.Э. (Andrey Tikhonov, Pavel Evdokimov, Valery Putlayev, Elena Klimashina, Snezhana Tikhonova, Ivan Scherbackov, Vadim Dubrov) Fabrication of novel osteoconductive CaP/PEGDA-hydrogel 3D biocomposite scaffolds via stereolithography for personalised bone reconstruction. Composites Part B: Engineering (2019 г.) | ||
3 | 1 июля 2019 г.-30 июня 2020 г. | Остеокондуктивные композиты на основе фотополимеризованных гидрогелей с заданными вязко-упругими свойствами, изготовленные при помощи стереолитографической 3D-печати для персонализированной реконструкции костной ткани |
Результаты этапа: Так как фундаментальным основным аспектом работы третьего этапа являлось изучение медико-биологических свойств наиболее удачных с физико-химической точки зрения наполненных гидрогелей, то получены следующие результаты: 1) проведены более детальные токсикологические исследования полученного материала для определения его безопасности (цитотоксичности). Оценено влияние красителя на корректность оценки цитотоксичности с помощью колориметрического теста. Оценен пул жизнеспособных клеток с помощью колориметрического МТТ-теста; 2) в плане проведения медико-биологических испытаний и отработки операций по имплантированию цитосовместимых, наиболее перспективных с физико-химической, биологической точки зрения материалов было проведено заполнение костного дефекта у крыс. Учитывая отсутствие полной резорбции всех материалов на сроках в 3 и 6 недель, был решен вопрос о длительности их полного рассасывания в области костного дефекта. Для уточнения причин выявленных различий проведились исследования, направленные на уточнение скорости полной резорбции материалов заданного состава – за счет увеличенного срока имплантации вплоть до 12, 24 недель. Для проведения успешного оптимального остеосинтеза требовалось уменьшение скорости резорбции и увеличение механической прочности и твердости материалов на основе гидрогелей за счет увеличения в них доли неорганических фосфатов кальция. Были проведены дополнительные физико-химических исследования, а именно: 1)варьировались доли наполнения гидрогелей с целью увеличения в них доли неорганических фосфатов кальция и была проведена оптимизации 3D-печати из них макропористых структур. 2)исследована растворимость (резорбция) макропористых матриксов. 3)проведены механические испытания макропористых материалов. Осуществлен поиск условий интеркалляции цитратов. Проведена рН корректировка условий обработки в буферных растворах гелей, содержащих частицы α-ТКФ. Проделаны работы по оценке влияния степени наполнения геля кристаллами слоистых фосфатов и размера кристаллов этих фосфатов на прочностные, вязкоупругие свойства наполненного композитного геля (модуль Юнга и величину обратимой деформации гелевого композита) и степень набухания геля при выдерживании в водном растворе. В рамках данного проекта фундаментальным аспектом работы являлось изучение влияния армирования жесткими 2D частицами на реологию композита. Это важно для придания композитам необходимых механических свойств и регулирования набухания геля. В продолжение было проведено исследование дополнительной обработки (модификации) поверхности макропористых имплантатов путем осаждения на него слоя кристаллов фосфатов кальция (ГА и ОКФ) из растворов искусственной межтканевой жидкости SBF (5xSBF); исследована зависимости толщины и морфологии слоя от времени выдерживания в растворе и рН раствора. Другой важной задачей данного этапа было решение проблемы сорбции специальных белков как на растущих внутри геля кристаллов слоистых фосфатов, так возможно и на наполненных конструкциях. Произведено построение изотерм сорбции фосфатом кальция модельного растворимого белка альбумина, оценена возможность перенесения результатов на целевые белки семейства ВМР. Полученные результаты впервые позволили проследить взаимосвязь архитектура матрикса – целевое свойство (прочность, резорбция, проницаемость) – поведение in vitro – поведение in vivo, которая является существенным шагом для разработки численной модели поведения подобного материала в организме. Попытки разработать такие модели – ведущий тренд современных исследований в области биоматериалов. Следует отметить здесь важность результатов медико-биологических испытаний, которые не только сообщают достоверность сделанным выводам относительно перспективы применения подобных материалов, но и являются необходимым условием для публикации результатов в международных журналах такого профиля с высоким импакт-фактором. Все работы выполнены в срок и в полном объеме. Получены новые фундаментальные и прикладные результаты, способствующие решению задач из стратегий НТР РФ. Перечень публикаций за отчетный период по результатам проекта: 1. Бирюков А.С., Тихонов А.А., Путляев В.И. (Biryukov A.S., Tikhonov A.A., Putlayev V.I.) Получение "интеркалированных" слоистых фосфатов кальция и синтез биокерамики на их основе Тезисы XVIII Всероссийской конференции с международным участием "Актуальные проблемы неорганической химии К 150-летию Периодического закона Д.И.Менделеева" (2019 г.) 2. Дубров В.Э., Климашина Е.С., Щербаков И.М., Шипунов Г.А., Путляев В.И., Евдокимов П.В., Тихонов А.А., Гулько С.В., Зюзин Д.А. (Dubrov V. E., Klimashina E. S., Shcherbakov I. M., Shipunov G. A., Putlyaev V. I., Evdokimov P. V., Tikhonov A. A., Gulko S.V., Zyuzin D. A.) Possibilities of obtaining and using hydrogel-based biomaterials for regeneration of human bone tissue Vestnik Transplantologii I Iskusstvennyh Organov (2019 г.) WOS SCOPUS РИНЦ 3. Дубров В.Э., Климашина Е.С., Щербаков И.М., Шипунов Г.А., Путляев В.И., Евдокимов П.В., Тихонов А.А., Зюзин Д.А., Данилова Н.В., Мальков П.Г. (Dubrov V. E., Klimashina E. S., Shcherbakov I. M., Shipunov G. A., Putlyaev V. I., Evdokimov P. V., Tikhonov A. A., Zyuzin D. A., Danilova N. V., Mal’kov P. G.) Experimental Evaluation of the Properties of 3D Porous Bone Substitute Based on Calcium Phosphate on the Model of Monocortical Diaphysial Femur Defect in Rats Bulletin of Experimental Biology and Medicine, BIOTECHNOLOGIES (2019 г.) WOS SCOPUS РИНЦ 4. Евдокимов П.В., Путляев В.И., Гаршев А.В., Климашина Е.С., Сафронова Т.В., Дубров В.Э., Щербаков И.М., Орлов Н.К., Тихонова С.А.,Тихонов А.А. (Evdokimov P., Putlayev V., Garshev A., Klimashina E., Safronova T., Dubrov V., Scherbackov I., Orlov N., Tikhonova S., Tikhonov A.) Additive manufacturing as the tool for the production of osteoconductive bioresorbable bone-grafting materials of complex shape The 2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2) and the 4th International Conference on Innovations in Biomaterials, Biomanufacturing, and Biotechnologies (Bio-4). Abstracts Book (2019 г.) 5. Тихонов А.А., Зуев Д.М., Климашина Е.С., Евдокимов П.В., Шипунов Г., Щербаков И.М., Зюзин Д., Путляев В.И., Дубров В.Э. (Tikhonov A., Zuev D., Klimashina E., Evdokimov P., Shipunov G., Scherbackov I., Zyuzin D., Putlayev V., Dubrov V.) Macroporus PEGDA-Hydrogels Reinforced by Brushite as Bone-Substituent Implants ScSB Conference Abstracts, eCM Online Periodical (2019 г.) 6. Тихонов А.А., Климашина Е.С., Евдокимов П.В., Путляев В.И., Шипунов Г.А., Щербаков И.М., Дубров В.Э., Данилова Н.В., Мальков П.Г. (Tikhonov A., Klimashina E., Evdokimov P., Putlayev V., Shipunov G., Scherbackov I., Dubrov V., Danilova N., Malkov P.) Упругие гидрогелевые биоматериалы со сложной архитектурой для регенерации костной ткани Научно-практический журнал "Гены и клетки" (2019 г.) SCOPUS РИНЦ 7. Тихонов А.А., Климашина Е.С., Евдокимов П.В., Шипунов Г.А., Щербаков И.М., Зюзин Д.А., Путляев В.И., Дубров В.Э. (Tikhonov A., Klimashina E., Evdokimov P., Shipunov G., Scherbackov I., Zyuzin D., Putlayev V., Dubrov V.) Stereolithography of osteoconductive elastic bone implants based on hydrogel and octacalcium phosphate The 2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2) and the 4th International Conference on Innovations in Biomaterials, Biomanufacturing, and Biotechnologies (Bio-4). Abstracts Book (2019 г.) 8. Тихонов А.А., Климашина Е.С., Евдокимов П.В., Щербаков И.М., Путляев В.И., Дубров В.Э. (Tikhonov A., Klimashina E., Evdokimov P., Scherbackov I., Putlayev V., Dubrov V.) Influence of porosity, pore channel size and geometrical sizes of implants on their permeability XVI CONFERENCE AND EXHIBITION OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY (XVI ECerS CONFERENCE 2019), Abstract Book (2019 г.) 9. Дубров В.Э., Климашина Е.С., Евдокимов П.В., Тихонов А.А., Щербаков И.М., Путляев В.И., Шипунов Г.А., Зацепин В.А., Данилова Н.В., Мальков П.Г. (Dubrov V. E., Klimashina E. S., Evdokimov P. V., Tikhonov A. A., Shcherbakov I. M., Putlyaev V. I., Shipunov G. A., Zacepin V.A., D. A., Danilova N. V., Mal’kov P. G.) Экспериментальная оценка свойств костнозамещающих материалов на основе полиэтиленгликоль-диакрилата и октакальциевого фосфата на модели монокортикального диафизарного дефекта бедренной кости крысы Clinical and Experimental Surgery. Petrovsky journal (2020 г.) SCOPUS РИНЦ 10. Евдокимов П. (P. Evdokimov) Fabrication of novel complex-shaped macroporous biodegradable ceramics and hydrogel composites via various 3D printing technologies for tissue regeneration 44th International Conference & Exposition on Advanced Ceramics and Composites ABSTRACT BOOK (2020 г.) 11. Преображенский И.И., Тихонов А.А., Климашина Е.С., Евдокимов П.В., Путляев В.И. (Preobrajenskiy I., Tikhonov A., Klimashina E., Evdokimov P. V., Putlyaev V. I.) Набухание акрилатных гидрогелей, наполненных брушитом и октакальциевым фосфатом Russian Chemical Bulletin (2020 г.) SCOPUS РИНЦ 12. Тихонов А.А., Евдокимов П.В., Климашина Е.С., Тихонова С.А., Карпушкин Е.А., Щербаков И.М., Дубров В.Э., Путляев В.И. (A. Tikhonov, P. Evdokimov, E. Klimashina, S. Tikhonova, E. Karpushkin, I. Scherbackov, V. Dubrov, V. Putlayev) Fabrication of osteoconductive CaP/PEGDA-hydrogel 3D biocomposite scaffolds and their applications in bone grafts using stereolithography Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials (2020 г.) WOS SCOPUS РИНЦ Q1 13. Тихонов А.А., Климашина Е.С., Евдокимов П.В., Кукуева Е.В., Бирюков А.С., Путляев В.И., Щербаков И.М., Дубров В.Э. (Tikhonov A., Klimashina E., Evdokimov P., Kukueva E., Biryukov A., Putlyaev V., Shcherbakov I., Dubrov V. E.) Дикарбоксилатзамещенные октакальциевые фосфаты для наполнения гидрогелей и изготовления резорбируемой керамики Inorganic Materials: Applied Research (2020 г.) SCOPUS РИНЦ |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".