Исследования

Аддитивные технологии
Создание персонализированных имплантатов с индивидуальной формой для каждого пациента – это новый шаг в развитии биомедицины. Возможность моделирования имплантатов любой формы и размеров, функциональность компонентов и свойств, соотношение цены и качества в производстве разовой или небольшой серии продуктов – все эти преимущества завоевали аддитивные технологии (АТ) или более известные как технологии 3-Д печати.

В своей работе мы используем один из наиболее совершенных среди технологий трехмерной печати – метод электронно-лучевого плавления, включающий в себя послойное нанесение рабочего материала и его плавление под действием электронного пучка. Металлические имплантаты, изготовленные таким образом, могут также успешно повторить сложную микроструктуру костей, что позволяет улучшить процесс интеграции имплантата и его долгосрочную стабильность в организме.

Рабочим материалом для электронно-лучевого плавления в нашем случае служат порошки
титанового сплава Ti6Al4V, широко применяемого в биомедицине для замены дисфункциональных твердых тканей благодаря высокой прочности, легкости, хорошей биосовместимости и устойчивости к коррозии. Однако мы стремимся к созданию еще более улучшенной биосовместимости поверхности, путем напыления биоактивных кальцийфосфатных покрытий и осаждения антибактериальных наночастиц серебра. Данные способы модификации уже зарекомендовали себя в области плазменных технологий и коллоидной химии.

К настоящему моменту нами уже проводятся экспериментальные и теоретические исследования свойств получаемых модифицированных поверхностей, включающие исследование механизмов смачивания поверхности биокомпозитов, влияние пористости и химического состава поверхности на гистерезис смачивания, поверхностную энергию, влияние структуры, химического и фазового состава и параметров шероховатости на физико-механические свойства (микротвердость, модуль Юнга) биокомпозитов. еще
Магниевые имплантаты
В настоящее время изучение магниевых сплавов является актуальным и перспективным для применения в качестве материалов в современной имплантологии. Сплавы магния обладают широким рядом свойств для данных целей, таких как: модуль Юнга близкий к свойствам человеческой кости (≈40 Гпа), отсутствие токсического влияния на организм, биодеградация, кроме того магний является естественным элементом метаболизма человека. Благодаря обладанию механических свойств близким к человеческой кости, магний позволяет устранять последствия экранирования напряжения, что способствует улучшенной биосовместимости имплантата с костной тканью. Однако у магниевых имплантатов низкая коррозийная устойчивость в хлоридсодержащей среде организма. И в данном случае имплантаты преждевременно теряют свои механические свойства, до наступления полного восстановления костного перелома.

В связи с данной проблемой, активно ведутся исследования по улучшению коррозионной стойкости магниевых сплавов, путем добавления легирующих элементов, создания защитных покрытий и т.д. Создание антикоррозионного, кальцийсодержащего защитного покрытия на магниевом сплаве один из перспективных методов улучшения коррозионной стойкости магниевых сплавов. Данное сочетание позволяет получить максимальную биосовместимость имплантата с костной тканью, и увеличения коррозийной стойкости на несколько порядков. еще
Полимерные Скэффолды
В настоящее время в медицине остро стоит вопрос о создании в лабораторных условиях искусственных тканей, воспроизводящих функции и структуру живых тканей в течение ограниченного промежутка времени. Поэтому разработка биодеградируемых полимерных объемных (3-Д) матриксов является важной областью биоинженерии.

Биодеградируемые (биоразлагаемые) полимеры – это материалы, способные к саморазрушению под действием микробиологических и химических процессов. Разработка биоматериалов на основе биодеградируемых полимеров позволит создать костные биодеградируемые имплантаты для лечения обширного спектра переломов, способных не только поддерживать и выполнять функции поврежденной кости, но и стимулировать её рост, восстановление и заживление. Биодеградируемые имплантаты будут обладать всеми преимуществами традиционных имплантатов (металлов), при этом дополнительным их преимуществом является способность постепенно растворяться в организме до нетоксичных компонентов и выводиться в процессе метаболизма без повторного хирургического вмешательства.

Всё это формирует большой интерес в поиске технологий, ориентированных на конструирование материалов и имплантатов на основе биодеградируемых полимерных материалов.
Цель настоящего научного исследования – это формирование нового гибридного материала с иерархической структурой на основе биодеградируемых полимеров для регенеративной медицины. Новый материал будут обладать градиентной пористостью, чтобы имитировать структуру костной ткани, обладать механическими свойствами схожими со свойствами поврежденного участка кости, повторять химический состав ткани, которая до 90% состоит из фосфатов кальция, а также поверхность будет обеспечивать хорошую клеточную адгезию и прорастание живой ткани в материал.

Работа осуществляется при сотрудничестве Центра технологий Физико-технического института Томского политехнического университета, института Фраунгофера по межфазовой инженерии и биотехнологиям (Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology), в университете Дуйсбург-Эссен (the University of Duisburg-Essen) и в Тезнологическом Университете Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology KIT) в Германии.

Согласно цели научного исследования на базе Центра технологий реализован процесс синтеза и формирования объёмных 3-Д скэффолдов методом электроформования на основе биодеградируемых полимеров: поликапролактона, поли-3-гидроксибутирата и сополимера поли-3-гидроксибутирата с поли-3-гидроксивалератом. Данный метод позволяет синтезировать 3-Д материал волокнистой структуры с контролируемым размером пор и с заданными механическими характеристиками.

В институте Фраунгофера по межфазовой инженерии и биотехнологиям в Германии проводится модифицирование биодеградируемых тонких пленок и 3-Д матриксов на основе биодеградируемых полимеров в высокочастотной реактивной плазме. Исследования показали, что поверхность исходных необработанных материалов имеет гидрофобную природу, плохо смачивается, обладает низкой поверхностной энергией, что приводит к плохой клеточной адгезии на поверхности материалов. После плазменной обработки у полимерных пленок и 3-Д матриксов значительно улучшается смачиваемость и повышается поверхностная энергия, за счет формирование функциональных групп на поверхности. Результаты проведенных исследований по смачиваемости, а также биологические тесты представлены в статьях [Materials Letters 163 (2016) 277–280, Materials Science and Engineering: C, 62 (2016) 450–457]. еще
Магнетронное распыление
Одним из направлений исследований нашей группы является изучение фундаментальных принципов процесса ВЧ-магнетронного напыления кальций фосфатных покрытий, который используется в качестве подходя для повышения биосовместимости металлических и полимерных материалов, применяемых в регенеративной медицине.

Учитывая современную тенденцию увеличения продолжительности жизни населения, наличие новых эффективных методов и материалов для реконструкции дефектов костей является одной из важнейших проблем травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии. Чтобы оптимально решить эту задачу в любой, даже самой сложной клинической ситуации, доктору необходимо иметь в арсенале несколько различных имплантационных систем, что позволяет подобрать каждому пациенту свой «индивидуальный» имплантат.

Согласно современным взглядам, взаимодействие между имплантатом и организмом протекает по типу агрессии. Имплантат вторгается в организм, который в свою очередь воспринимает его как инородное тело и пытается избавиться от него. Вопрос биологической совместимости имплантатов решается путем создания необходимого интерфейса между поверхностью конструкции и тканью. Наибольший практический интерес для решения задач медицинского материаловедения вызывают кальций-фосфаты (CaP), относящиеся к группе естественных метаболитов кости, иными словами, стимулирующие процессы костеобразования. В качестве материала, используемого для получения биоактивного покрытия на поверхности имплантатов, наибольшее распространение получил гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2 (ГА), являющийся аналогом костной ткани со стехиометрическим отношением Ca/P=1,67.

Для создания тонких функционально-градиентных покрытий на основе ГА используется метод высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления. Метод позволяет с большой эффективностью использовать материал катода и, управляя режимами напыления, формировать покрытия с заранее заданными свойствами, позволяющими повысить эксплуатационные характеристики медицинских имплантатов, в том числе со сложной геометрией. Кроме того, с целью придания CaP покрытиям дополнительных функциональных свойств, ведутся исследования в направлении модифицирования ГА дополнительными элементами. Например, для создания покрытий, проявляющих биоактивные и антибактериальные свойства, в качестве добавки используется серебро. Согласно имеющимся данным, серебро обладает выраженным антибактериальным действием как против грамм-позитивных, так и против грамм-негативных форм микроорганизмов. Модифицирование ГА ионами кремния приводит к увеличению скорости резорбции покрытия и образованию костной ткани на ранних стадиях эксплуатации имплантата.
В настоящее время нет достоверной информации о механизмах роста CaP покрытия из ВЧ-магнетронной плазмы. Как правило, исследователи сосредоточены только на управление параметрами процесса с целью оптимизации свойств покрытий, основываясь на результатах биологических экспериментов без изучения механизмов роста. В то время как фундаментальное понимание процессов, происходящих в плазме, является ключевым для дальнейшего повышения эффективности используемого метода. Это требует подробного описания различных процессов, происходящих на уровне субстрата и детальной характеристики свойств тонких пленок. Понимание взаимосвязей между характеристиками магнетронной плазмы и внутренними структурными и композиционными свойствами CaP пленок позволит углубить представление о фундаментальных основах формирования биосовместимых покрытий методом ВЧ-магентронного распыления с уникальными свойствами для практического медицинского применения. еще