Разработка научных и технологических основ получения и исследования физико-химических свойств биополимерного материала для создания внутрикостных имплантов с биополимерным покрытием на основе сверхупругих титановых сплавов.НИР

Development of scientific and technological bases for obtaining and studying the physicochemical properties of biopolymer material for the creation of intraosseous implants with biopolymer coating based on superelastic titanium alloys.

Источник финансирования НИР

Хоздоговор, ФЦП

Этапы НИР

# Сроки Название
1 15 ноября 2017 г.-31 декабря 2017 г. Теоретические исследования. Разработка плана, выбор и обоснование методик.
Результаты этапа: В результате теоретической и экспериментальной работы 1 этапа, посвященного теоретическим исследования, разработке плана, выбору и обоснованию методик исследований и испытаний, а также предварительной отработке технологий были выполнены следующие работы: разработаны программа и методики исследовательских испытаний в части биосовместимости экспериментальных образцов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb и программа и методики исследовательских испытаний биополимерного материала, предназначенного для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb; разработана оптимальная композиция биополимерного материала для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов и выполнено исследование физико-химических свойств биополимерного материала; Получены экспериментальные образцы биополимерного материала в виде пленок для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов; в соответствии с утвержденной программой и методиками выполнена проверка биосовместимости биополимерного покрытия in vitro, в том числе методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии исследованы адгезия, пролиферация и жизнеспособность остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности пленок из биополимерного материала. Анализ данных количественного подсчёта клеток на поверхности различных экспериментальных образцов биополимерного материала в виде пленок показал, что по мере культивирования происходит увеличение количества остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности образцов, что свидетельствует о том, что поверхность разрабатываемых экспериментальных образцов является прекрасным субстратом для адгезии и пролиферации. При этом, микроскопический анализ продемонстрировал, что организация цитоскелета, характерная для дифференцированных остеобластов, а именно замещение стресс-фибрилл тонкими актиновыми фибриллами, образующими сетчатые структуры в клетке, наблюдается на образцах 1, 2 и 3 на 7 день культивирования, а на образце 1 тонкие сетчатые из тонких актиновых фибрилл выявляются уже на 3 день культивирования. С использованием МТТ-теста исследована пролиферация остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности пленок из биополимерного материала. Таким образом, показано, что исследованные экспериментальные образцы биополимерного материала являются биосовместимыми, а именно поддерживают адгезию, пролиферацию и жизнеспособность остеобластоподобных клеток MG-63 и могут быть использованы в качестве покрытий сплавов.
2 1 января 2018 г.-20 декабря 2018 г. Отработка технологий Экспериментальные исследования и испытания
Результаты этапа: В настоящее время является крайне актуальной проблема создания материала для имплантируемых внутрикостных конструкций, который бы состоял только из безопасных компонентов, по своим механическим свойствам был близок к костной ткани, а также был "дружественен" окружающим тканям с точки зрения состава и морфологии поверхности. Одним из наиболее перспективных способов придания инертной металлической поверхности остеоиндуктивной и антимикробной активности является покрытие имплантатов биоразлагаемыми и биосовместимыми полимерами, в которые также можно вводить лекарственные вещества. Среди разрабатываемых и используемых биомедицинских полимеров особое внимание привлекают биоразлагаемые поли-3-оксиалканоаты – поли-3-оксибутират (ПОБ) и его сополимеры. В отличие от природных полимеров и химически синтезированных полимеров, ПОБ и его сополимеры получают биотехнологическим путем, который позволяет достичь высокой степени чистоты, задавать и контролировать физико-химические свойства биополимеров в узких пределах в процессе их биосинтеза. Таким образом, важным направлением создания биосовместимых изделий является нанесение на поверхность металлических имплантатов покрытий из биосовместимых материалов, структура и свойства которых способствуют срастанию материала имплантата с костной тканью. Именно такие разработки и исследования проводятся в рамках данного проекта. В результате выполнения работ 2 этапа проекта была разработана «Лабораторная методика покрытия экспериментальных образцов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb полученным биополимерным материалом». В результате исследования морфологии поверхности экспериментальных образцов и определения толщины биополимерного покрытия методами оптической, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии было показано, что поверхности экспериментальных образцов титановых сплавов с биополимерным покрытием могут быть одного из двух типов: гладкие или ячеистые. Вероятно, ячеистые поверхности формируются в тех случаях, когда пленка биополимера повторяет гранулярную поверхность Ti-Nb-Zr и не сглаживает ее. Методом СЭМ были измерены толщины биополимерных покрытий на поверхности экспериментальных образцов Ti-Zr-Nb. Толщина всех покрытий лежала в микрометровом диапазоне, полимер ПОБ формировал более толстые покрытия, чем ПОБВ. Как известно, важными свойствами материалов для создания имплантатов являются способность поддерживать адгезию, пролиферацию и жизнеспособность клеток. Анализ всех полученных результатов проведенных исследовательских испытаний в экспериментах in vitro подтверждает, что все экспериментальные образцы сверхупругих сплавов являются биосовместимыми, так как поддерживают адгезию, пролиферацию и жизнеспособность остеобластоподобных клеток MG-63 и обеспечивают возможность миграции клеток на поверхности. Кроме того, была выявлена тенденция к увеличению удельной активности щелочной фосфатазы на 7 и 14 дни культивирования, что свидетельствует о способности исследуемых образцов к индукции остеогенной дифференцировки остеобластоподобных клеток MG-63, также установлено, что организация цитоскелета остеобластоподобных клеток MG-63, культивируемых на поверхности экспериментальных образцов сверхупругих сплавов, характерна для дифференцированных остеобластов – наблюдается замещение стресс-фибрилл тонкими актиновыми фибриллами, образующими сетчатые структуры в клетке, а также выявляются участки глобулярного актина. Все полученные на 2 этапе результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также документы, содержащие конструктивные и технологические (методические) решения, будут использованы для реализации последующих этапов и выполнения НИР в целом. Все проведенные на данном этапе работы выполнены в соответствии с Планом-графиком в полном объеме и в срок и удовлетворяют условиям, установленным в Техническом задании Договора.
3 1 января 2019 г.-4 декабря 2019 г. Оптимизация технологий. Получение пробных партий заготовок. Изготовление экспериментальных образцов конечных изделий.
Результаты этапа: В результате выполнения заключительного этапа проекта была разработана Лабораторная методика получения биополимерных покрытий двух типов, содержащих отобранное лекарственное вещество с остеоиндуктивной и антибактериальной активностью, с использованием данной методики для проведения сравнительных исследовательских испытаний были наработаны образцы – Экспериментальные образцы сплавов на основе Ti-Zr-Nb с пористостью 50%, покрытые биополимерным материалом – поли-3-оксибутиратом (ПОБ) с молекулярной массой 3,64×105, с содержанием биополимерного материала в 2,4±0,3% (вес.) с содержанием в биополимерном покрытии лекарственного вещества с остеоиндуктивной активностью – симвастатином, 5,0±0,5% (вес.) и Экспериментальные образцы сплавов на основе Ti-Zr-Nb с пористостью 50%, покрытые биополимерным материалом – поли-3-оксибутиратом (ПОБ) с молекулярной массой 3,64×105, с содержанием биополимерного материала в 2,4±0,3% (вес.) и содержанием в биополимерном покрытии лекарственного вещества с антибактериальной активностью – левофлоксацином, 5,0±0,5% (вес.). Для полученных образцов были проведены исследования морфологии поверхности в процессе его деградации in vitro. По результатам исследований было установлено, что на качественном уровне поверхность биополимерного покрытия в процессе деградации in vitro практически не изменяется на протяжении довольно длительного периода (до 3 месяцев), т.е. покрытие является стабильным как в отношении связи с поверхностью образцов, так и в плане сохранения своей структуры. В соответствии с Программами и методиками были проведены сравнительные исследовательские испытания экспериментальных образцов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb без покрытия, с биополимерным покрытием и биополимерным покрытием, содержащим низкомолекулярное лекарственное вещество с остеоиндуктивной и антибактериальной активностью, включающие: - анализ биосовместимости in vitro, в том числе исследование адгезии, пролиферации и жизнеспособности остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности экспериментальных образцов, методами конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и МТТ-теста. Результаты исследований показали, что экспериментальные образцы сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb без покрытия, с биополимерным покрытием и биополимерным покрытием, содержащим низкомолекулярное лекарственное вещество, поддерживают адгезию, пролиферацию, жизнеспособность остеобластоподобных клеток MG-63, т.е. являются биосовместимыми в экспериментах in vitro. - анализ изменения уровня экспрессии генов alp и oc (щелочной фосфатазы и остеокальцина), маркеров остеогенной дифференцировки в остеобластоподобных клетках MG-63. В результате исследований было установлено, что экспериментальные образцы с покрытием и с покрытиями, содержащими низкомолекулярные лекарственные вещества обеспечивают более высокий уровень экспрессии генов, связанных с остеогенной дифференцировкой и обладают лучшими остеоиндуктивными свойствами по сравнению с образцами без покрытия. - количественную оценку отложений кальция остеобластоподобными клетками MG-63 биохимическими методами по повышению уровня щелочной фосфатазы, определяемому по гидролизу п-нитрофенилфосфата (p-Nitrophenyl Phosphate) и детекцией минерализации поверхности образцов окрашиванием Ализариновым красным. В результате проведенных исследований было показано, что экспериментальные образцы с покрытием и с покрытиями, содержащими низкомолекулярные лекарственные вещества обеспечивают более интенсивные процессы минерализации поверхности образцов и обладают лучшими остеоиндуктивными свойствами по сравнению с образцами без покрытия. Таким образом в результате выполненных исследований текущего этапа было установлено, что нанесение биополимерного покрытия и биополимерного покрытия, содержащего низкомолекулярные лекарственные вещества с остеоиндуктивной и антибактериальной активностью, улучшает биосовместимость и остеоидуктивные свойства экспериментальных образцов из сплавов на основе Ti-Zr-Nb. Все проведенные на этапе работы и работы по проекту в целом выполнены в соответствии с Планом-графиком в полном объеме, в срок и удовлетворяют условиям, установленным в Техническом задании Договора.

Прикрепленные к НИР результаты

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".