![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Научная проблема – фундаментальные аспекты регенерации костной ткани в области обширных дефектов с использованием матриксов, изготовленных из синтетических материалов. Поскольку данная проблема включает в себя взаимосвязанные элементы химии, материаловедения, инженерных наук и биологии с медициной, то ее решение предполагает постановку специфического взгляда на предмет исследований, учитывающего состав и условия получения материала – его микро- и макроструктуры с учетом топологии и архитектуры порового пространства и способов их реализации в материале данного состава – комплекса медико-биологических и физико-химических свойств – различных вариантов медицинского применения, в зависимости от типа костного дефекта и дизайна соответствующей хирургической операции. Цель работы – создание керамических матриксов, как основы для конструкций тканевой инженерии (КТИ) на основе ультрапористой резорбируемой кальцийфосфатной керамики с многоуровневой архитектурой порового пространства, способствующий эффективному и быстрому наполнению конструкции остеоиндуцирующими субстанциями (тромбоцитарной массой, костным мозгом, спонгиозой), а также обеспечивающий прорастание нативной кости в имплантат и васкуляризацию новообразованной костной ткани. Керамический каркас матрикса выполняет направляющую и опорную функции на начальных этапах остеоинтеграции имплантата, реализуя остеокондуктивную функцию имплантата и соответствующий тип остеогенеза. Шероховатость и пористость каркаса матрикса облегчает адгезию, распластывание и пролиферацию клеток, а жесткость керамического каркаса способствует дифференциации закрепившихся на нем плюрипотентных клеток в остеогенную линию, что реализует остеоиндуктивную функцию имплантата и одноименный тип остеогенеза. В дальнейшем, непрерывная резорбция керамического каркаса и заполнение резорбционных областей приводит к полной регенерации костной ткани в области дефекта. Разрабатываемые высокопористые и высокопроницаемые керамические материалы выполняют роль матриксов при создании на их основе тканеинженерных конструкций, что в полной мере реализует подходы регенеративной медицины. Такие матриксы могут быть использованы отдельно или быть предварительно наполненными физиологически-активными веществами и/или клеточными культурами, содержащимися, в частности, во взятой у пациента остеоиндуцирующей субстанции (тромбоцитарная масса, костный мозг, спонгиоза); в этом аспекте применения материала реализуется персонализированный подход к регенерации костной ткани. Среди важных матриксных свойств – проницаемость, которая задается связной системой макропор с размерами 500-1000 мкм. Керамический каркас, несущий систему макропор, со специально спроектированной архитектурой изготавливается с помощью 3D-печати. В данной заявке мы предлагаем создание ультрапористого (>85% пористости) имплантата за счет создания в нем трехуровневой (трехмодальной) пористости. Вышеописанные крупные поры первой моды несет керамический каркас, в котором присутствуют поры второй – 50-100 мкм и третьей моды – 1-10 мкм. Немаловажным аспектом является и резорбируемость матрикса, позволяющая неинвазивно полностью устранить материал каркаса и образовать на его месте костную ткань. Таким образом, разрабатываемый материал предназначен для полной и быстрой регенерации костной ткани в области различных по размеру и сложности дефектов в челюстно-лицевой хирургии, травматологии, специальной хирургии, онкологии.
Задачу данного проекта можно сформулировать как создание резорбируемой высокопроницаемой ультрапористой биокерамики с заданной архитектурой на основе Ca3(PO4)2 методом стереолитографии для персонализированной костно-тканевой инженерии. Для решения поставленной задачи необходимо: 1) выбрать составы и условия подготовки фоточувствительных суспензий, как обычных, так и на основе эмульсий, в состав которых предполагается введение порошка трикальциевого фосфата, для последующей стереолитографической печати прекерамических моделей; 2) апробировать два основных варианта создания ультрапористых материалов с помощью стереолитографической печати: а) две моды пор (более 500 мкм и поры от 100 до 200 мкм) будут созданы на этапе компьютерного проектирования модели имплантата и последующей печати с использованием фоточувствительных суспензий на основе Ca3(PO4)2 и б) первая мода пор (>500 мкм) будет задана на этапе моделирования архитектуру имплантат, а вторая мода (50-200 мкм) будет задана путем использования фоточувствительных суспензий на основе водно-масляных эмульсий, с загрузкой порошка ТКФ в водную составляющую; сделать выбор между ними; отработать технологию выбранного варианта печати; 3) определить условия термообработки моделей после печати для получения ультрапористого керамического имплантата достаточной прочностью; 4) провести прочностные испытания изготовленных ультрапористых имплантатов и их физической проницаемости; провести выборочные медико-биологические испытания in vitro.
1) Получены порошки ТКФ путем термического разложения нестехиометрического ГАП. Исследовано влияние гранулометрии порошков на микроструктуру керамических материалов при различных условиях спекания; 2) Исследованы реологические характеристики фоточувствительных эмульсий и отработка технологии стереолитографического формования из них; 3) Исследованы условия термообработки напечатанных прекерамических изделий; 4) Исследованы прочностные характеристики и физическая проницаемость, полученных керамических ультрапористых материалов; 5) Проведено исследование медико-биологических характеристик ультрапористых биокерамических имплантатов.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 августа 2018 г.-30 июня 2019 г. | Высокопроницаемые ультрапористые керамические имплантаты с заданной архитектурой, созданные при помощи стереолитографии, для персонализированной костно-тканевой инженерии |
Результаты этапа: 1) Синтезирован однофазный порошок трикальциевого фосфата (ТКФ) твердофазным методом. Дополнительно была проведена модификация поверхности ТКФ с использованием ПАВ, в результате были получены частицы со средним размером 1.12 мкм и с достаточно узким распределением по размерам. Данный порошок был использован для получения фотоотверждаемых суспензий для стереолитографической печати. 2) Разработана методика получения сферических гранул 1,6-гександиолдиакрилата (ГДДА) разного размера из водных эмульсий с использованием УФ-полимеризации. Подобраны оптимальные условия (эмульгаторы, их соотношение, скорости сдвига и т.д.) для получения сферических гранул с заданными размерами (средний размер частиц от 30 до 400 мкм) и распределением по размерам. 3) Было показано, что при использовании в качестве жидкой фазы в суспензиях смеси мономеров (а) (PO Laromer 8889 с 1,6-ГДДА (1:1 по объему)) вязкость суспензий ниже по сравнению со случаем (б) использования коммерческого фотополимера Formlabs High Temp Resin. В обоих случаях наблюдается псевдопластичный характер течения (вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига). Было показано, что для уменьшения вязкости суспензий во время печати можно использовать нагрев, что может положительно повлиять на процесс трехмерной печати. 4) На основе параметров фоточувствительности суспензий, а также данных ССР гранул, были установлены оптимальные параметры стереолитографической печати из исследованных суспензий, а именно, толщина и время экспозиции единичного слоя при печати. Толщина слоя составила 350 мкм для susp.gr3; 250 мкм для susp.gr11, susp.ht.gr11, susp.gr11_30TCP, susp.ht.gr11-60.20TCP и susp.ht.gr11,12; 200 мкм для susp.gr12. Было показано, что при увеличении доли полимерных гранул в суспензии (susp.gr11 и susp.ht.gr11) до 45-50 об.% качество печати значительно улучшается за счет уменьшения скорости седиментации. Была получена ультрапористая керамика со сложной архитектурой и общей пористостью >85% и разными размерами пор второй моды. 5) Были разработаны компьютерные общей пористостью более 85% с различными геометриями порового пространства: для моделей со структурой гироида и 70% первой модой пор (>500 мкм) была дополнительно добавлена вторая мода пор (~200 мкм) со структурой алмаза и Шварца. | ||
2 | 1 июля 2019 г.-30 июня 2020 г. | Высокопроницаемые ультрапористые керамические имплантаты с заданной архитектурой, созданные при помощи стереолитографии, для персонализированной костно-тканевой инженерии |
Результаты этапа: 1) Получены порошки ТКФ путем термического разложения нестехиометрического ГАП. Исследовано влияние гранулометрии порошков на микроструктуру керамических материалов при различных условиях спекания; 2) Исследованы реологические характеристики фоточувствительных эмульсий и отработка технологии стереолитографического формования из них; 3) Исследованы условия термообработки напечатанных прекерамических изделий; 4) Исследованы прочностные характеристики и физическая проницаемость, полученных керамических ультрапористых материалов; 5) Проведено исследование медико-биологических характеристик ультрапористых биокерамических имплантатов. |
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".