ИСТИНА

Тип и качество существующих на сегодняшний день материалов для имплантации и технология их изготовления на сегодняшний день являются неудовлетворительными. В связи с обеспечением национальной безопасности, развитием одного из самых высокотехнологичных секторов экономики и реализации программ импортозамещения одним из приоритетных направлений является разработка и производство биоматериалов для замены костной ткани и усовершенствование уже имеющихся разработок. Ключевой проблемой при этом являются инженерные и материаловедческие проблемы создания биорезорбируемого имплантата определенного химического и фазового состава, с определенным рельефом (топографией поверхности) и морфологией заданной архитектуры. При этом разрабатываемые инновационные биосовместимые за счёт подобранного фазового состава конструкции для замены костной ткани должны обладать следующими важнейшими характеристиками: 1) остеокондуктивностью (или остеопроводимостью) – способностью материала обеспечивать проходимость биологических потоков, прорастанием в имплантат кровеносных сосудов (васкуляризаций), адгезией за счёт наличия шероховатого рельефа и наличия специфических функциональных групп на поверхности структуры для связывания остеогенных клеток; 2) при этом разрабатываемый биоматериал должен обладать проницаемостью пористого тела с регулярными, связанными между собой макропорами; 3) оптимальной архитектурой (в виде твердого тела) и ее проектированием для воспроизведения в многокомпонентном полимер-фосфатном композите заданного состава методом быстрого прототипирования, что представляют собой научную новизну данного исследования и серьезный научно-технологический вызов; 4) способностью к резорбции, которая коррелирует с растворимостью материалов в слабокислых и нейтральных средах. Использование смесей полимеров с фосфатами кальция в широком диапазоне составов для получения остеокондуктивной резорбируемой биокерамики посредством термоэкструзионного варианта 3D-печати предлагается впервые. В результате выполнения данного проекта будет создан новый остеопластический материал с уникальными свойствами, перечисленными выше, который после соответствующего сертифицирования можно будет использовать в лечебных организациях России для оказания высокотехнологичной медицинской помощи при операциях по регенерации костной ткани.

The type and quality of the currently existing implant materials and technology of their production to date are unsatisfactory. In connection with national security, the development of one of the most high-tech sectors of the economy and the implementation of import substitution programs, one of the priorities is biomaterials development and production for bone tissue replacement and existing developments improvement. The key problem here are engineering and materials science problems of creating a bioresorbable implant with a certain chemical and phase composition, certain relief (surface topography) and specified morphologies architecture. At the same time, the developed innovative biocompatible constructions for bone tissue replacement due to the selected phase composition should have the following important characteristics: 1) osteoconductivity - the ability to provide cross biological material flows into the implant germination blood vessels (vascularization), adhesion due to the presence of rough relief and the presence of specific functional groups on structure for binding osteogenic cells; 2) at the same time, the developed biomaterial should possess permeability of a porous body with regular, interconnected macropores; 3) the optimal architecture (in solid form) and its design for reproduction in a multicomponent polymer-phosphate composite of a given composition by rapid prototyping, which are scientific novelty of this study and a serious scientific and technological challenge; 4) the ability to resorption, which correlates with the solubility of materials in weakly acidic and neutral media. Use of calcium phosphate blends of polymers in a wide range of compositions for production of osteoconductive resorbable bioceramics by means of a thermoextrusion version of 3D printing is proposed for the first time. As a result of this project, a new osteoplastic material will be created with the unique properties listed above, which, after appropriate certification, can be used in Russian medical organizations to provide high-tech medical assistance in bone regeneration operations.

В соответствии с заявленными целями, общим планом работ по проекту будут получены следующие результаты: 1. Будут синтезированы биорезорбируемые фосфаты кальция с конденсированным фосфатным ионом: пирофосфат кальция (ПФК), полифосфат кальция (полиФК), метафосфатов кальция, а также их смеси, замещенные аналоги поли-/пирофосфаты Ca/Mg/Na по реакциям (1-15), согласно фазовым диаграммам (рис. 1-4). 2. Подобраны условия подготовки полимерных систем, в состав которых будут добавлены дисперсионные среды, фосфатов кальция, и введены добавки (компатибилизаторы) органической и неорганической природы для более полного растворения и смешения полимеров друг с другом. Создан уникальный рельефа на поверхности согласно технологической схеме (см. п.4.6): а) выбраны составы ПЛА, ПКЛ (возможно смешаны и с другими полимерами) и условия смешения биосовместимых полимеров с различными температурами плавления; б) подобраны и введены добавки (компатибилизаторов), получены смеси полимеров с регулированием микрорасслаивания, определены границы составов смесей полимеров ПЛА, ПКЛ (и др.). в) наполнены полимерные смеси (ПЛА, ПКЛ и др.) биорезорбируемыми фосфатами кальция с конденсированным фосфатным ионом. г) проведены физико-химические исследования на каждой стадии, детальные исследования микрорасслаивания, определены границы составов смесей полимеров. 3. Проведено гранулирование смеси перед термоэкструдированием полимерных систем, в состав которых будут введены добавки фосфатов кальция. Исследованы размеры и форма гранул, распределение гранул по размерам, а также степень наполнения полимера или объёмного содержания полимера и порошка фосфата кальция в нем. 4. Отработаны технологические параметры термоэкструдирования смеси полимеров с биорезорбируемыми фосфатами кальция, созданы композиционные корды. 5. Осуществлена 3-D печать в термоэкструзионном варианте заданных высокопроницаемых моделей: простейшей решетчатой структуры и структуры Кельвина. 6. Дополнительно обработана модификация поверхности для улучшения гидрофильности, создан уникальный рельеф поверхности: а) произведено исследование растворения самого кальцийфосфатного наполнителя в различных растворах кислот (лимонная, фосфорная кислота) с различной концентрацией, б) произведена частичная модификация поверхности полимерной составляющей за счёт взаимодействия функциональных групп, выходящих на поверхность, с кислотами и щелочами, в) создан уникальный рисунок и рельеф (микропаттерн) на поверхности композита за счет проведения многокомпонентного смешения полимеров и фосфата кальция. 7. Исследованы механические свойства образцов композиционных кордов, а также макропористых композитов. 8. Проведены исследования растворимости и предварительные исследования биоактивности с помощью модельных растворов и искусственной межтканевой жидкости SBF. В качестве методов синтеза порошков фосфатов кальция будут реализованы как новые, так и хорошо отработанные методы, используемые в нашей группе и в мировой практике. Направления работы, связанные с определением параметров технологии термоэкструзионной трехмерной печати наполненными смесями полимеров ПКЛ/ПЛА являются оригинальными и до сих пор не разрабатывались другими исследователями, технические решения предлагаются впервые и могут стать основой для соответствующих патентных заявок. Аналогов разрабатываемых материалов с уникальной текстурой и микропаттерном моделей, планируемых к печати, макропористых имплантатов в мире в настоящее время не существует. Конечная продукция (прототипы костных имплантатов) может быть использована для замены костной ткани различных форм дефектов при операциях в клиниках г. Москвы и мегаполисов РФ.

Коллектив работает в области химии оксидов и фосфатов, в области материаловедения керамики, цемента, стекла, полимеров, композитов для биомедицинских применений. Профессиональные интересы членов коллектива связаны с разработкой новых методов синтеза и модифицирования неорганических порошковых материалов, высокотехнологичного дизайна и механики компактных композиционных материалов биомедицинского применения, оценкой медико-биологических свойств аллопластических биоматериалов. В состав коллектива входят студенты и аспиранты, исследовательская деятельность которых протекает в указанных областях и связана с конструированием и синтезом материалов на основе биосовместимых биоактивных фосфатов, характеризацией их ключевых свойств: а) получению фосфатов кальция с мольным соотношением Са/Р в интервале 0,5-1.67 осаждением и гидролизом в водных растворах, а также с применением механической активации; б) получению осаждением порошков карбоната кальция различных модификаций; в) получению осаждением порошков гидратированных фосфатов магния с соотношением Mg/P в интервале 0,5-1,5 и получению керамики на их основе; г) получению керамических однофазных и многофазных порошковых и компактных материалов на основе фосфатов кальция и фосфатов биосовместимых щелочных металлов (Na, K); д) исследованию и уточнению фазовых диаграмм СаО-Р2О5-Na2O, СаО-Р2О5-К2O; исследованию фазовых превращений для получения однофазных и многофазных материалов. Коллектив исполнителей сотрудничает с ИМЕТ РАН, Институтом высокотемпературных материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИОНХ НАН Беларуси, кафедрой квантовой радиофизики физического факультета Казанского (Приволжского) Федерального Университета (исследования фосфатов кальция методами радиоспектроскопии – ЭПР, ЯМР), МНИИО им. П.A. Герцена (медико-биологические испытания), ИТЭБ РАН (г. Пущино, биологические испытания), ЦИТО им. Н.Н. Приорова, МНИОИ им. П.А.Герцена (медицинские испытания), ФИБХ РАН (in vivo тесты на мелких лабораторных животных).