Разработка наноструктурных титановых имплантатов с биоактивными и антибактериальными композитными покрытиями для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-49-02003

НазваниеРазработка наноструктурных титановых имплантатов с биоактивными и антибактериальными композитными покрытиями для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии

Руководитель Валиев Руслан Зуфарович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан

Конкурс №32 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова наноструктурный титан, интенсивная пластическая деформация, равноканальное угловое прессование; механические свойства, плазменно-электролитическое оксидирование, биоактивные и антибактериальные покрытия, функциональные полисахариды и олигопептиды

Код ГРНТИ53.49.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы инженерных наук в области создания биомедицинских имплантатов. Данная проблема включает в себя задачу разработки нового поколения имплантатов из наноструктурного титана, обладающих более высокой прочностью, биоактивностью и антибактериальными свойствами для остеоинтеграции в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Металлические постоянные имплантаты по своей востребованности занимают первое место в Индии, России и других странах, и по прогнозным данным, это прогрессирующая тенденция. Для челюстно-лицевых и дентальных имплантатов наиболее актуальные усовершенствования связаны с миниатюризацией, повышением прочности и усталостной долговечности, биоактивности и антибактериальных свойств; все это обеспечивает ускоренную остеоинтеграцию, в результате облегчающую реабилитацию пациента. Для реализации этих целей в проекте планируется разработка новых типов имплантатов на основе наноструктурного материала и композиционных функциональных покрытий. Команды заявителей с индийской и российской стороны обладают значительным заделом, оборудованием и компетенциями в научной области проекта. Международное сотрудничество и взаимодействие междисциплинарных команд позволит получить миниатюризированные имплантаты с повышенной механической прочностью, биоактивные и антибактериальные покрытия на имплантатах и опытные образцы зубных и челюстно-лицевых имплантатов. Эффективность покрытий будет доказана стандартными методами in vitro исследований. Наноструктурный технически чистый титан (Cp-Ti) имеет повышенные механические и биофункциональные свойства. Превосходная прочность наноструктурного Cp-Ti позволяет изготавливать миниатюризированные имплантаты для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, обеспечивающие малоинвазивность операции. Группа проф. Р.З. Валиева (российская сторона) выполнила пионерские работы и имеет опыт в исследовании и получении наноструктурного Cp-Ti методами интенсивной пластической деформации, что позволяет улучшить механическую прочность материала примерно в 2 раза за счет создания ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с размером зерен до 100 нм. Однако для современного производства дентальных и челюстно-лицевых имплантатов наноструктурный Cp-Ti должен обладать, наряду с высокой прочностью, повышенной усталостной долговечностью, в том числе при наличии концентраторов напряжений. В данном проекте эта задача будет решена не только за счет формирования ультрамелких зерен, но и управления структурой границ зерен. Другая научно-техническая задача, которая будет решена в проекте на основе компьютерного моделирования и физических экспериментов – это разработка технологии получения нанотитана в форме прутков и проволок разного диаметра, а также полос и пластин с однородной УМЗ структурой. Как известно, наноструктурный титан имеет сравнительно бóльшую биоактивность, чем традиционно используемый крупнозернистый титан, но для повышения биоактивности, адгезии клеток и антибактериальных свойств требуется специальная обработка. Для этой цели в проекте будет использована технология плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО), которая может быть совмещена с другими методами управления биологическими свойствами поверхности. ПЭО представляет собой процесс электрохимического оксидирования для формирования толстого оксидного слоя на легких металлах, включая титан, с целью улучшения коррозионной стойкости и износостойкости в агрессивных средах. ПЭО покрытия особенно перспективны для дентальных и челюстно-лицевых имплантатов, т.к. они снижают выход ионов металла в жидкости организма и, как результат, развитие сопутствующих заболеваний. Более того, процесс ПЭО, совмещенный с электрофоретическим осаждением (ЭФО), позволяет создавать наноструктурные биоактивные антибактериальные композитные покрытия на основе оксида титана и гидроксиапатита на поверхности Cp-Ti. Создание покрытий со специфической архитектурой методом плазменно-электролитического оксидирования является весьма перспективным и актуальным направлением, где большой интерес вызывают также совмещенные и смарт-технологии, обеспечивающие прецизионное формирование покрытия на основе диагностики его толщины и пористости, шероховатости поверхности в ходе обработки по электрическим и оптическим характеристикам. Группа проф. Н. Рамеш Бабу (индийская сторона) имеет передовой опыт в получении ПЭО и ПЭО-ЭФО покрытий на легких металлах для различных применений, включая биомедицинские, используя возможности совмещенной реализации процессов ПЭО и ЭФО, что позволяет включить наночастицы гидроксиапатита (ГА) в состав покрытия для обеспечения биоактивных свойств. Группа проф. Е.В. Парфенова (российская сторона) специализируется на создании автоматизированных смарт-технологий для процесса ПЭО, основанных на диагностике толщины, шероховатости, пористости покрытия по изменениям в электрических и оптических характеристиках процесса. Это позволяет управлять архитектурой покрытий и формировать их с высокой точностью (5 мкм). Это дает возможность прецизионного управления архитектурой и свойствами биосовместимых покрытий в ходе их формирования и обеспечивает высокую воспроизводимость результатов. В настоящее время в результате совместных научных исследований вышеуказанных двух групп ученых подписан договор о сотрудничестве между университетами, который дает надежную основу для реализации заявляемого проекта. В проекте планируется также разработка новых органических гибридных материалов для применения в ПЭО покрытиях, которые будут содержать в своем составе функциональные группы различных типов: фрагменты, активно взаимодействующие с рецепторами адгезии клеток; молекулы, снижающие воспалительную реакцию на чужеродное тело; производные, обеспечивающие антибактериальные свойства; заместители, обеспечивающие высокую адгезию органического покрытия к неорганическому ПЭО или ПЭО-ЭФО слою. Группа проф. Л.В. Парфеновой специализируется на синтезе биологически активных соединений и химической модификации природных соединений, что позволит достичь требований по биологическим свойствам поверхности имплантатов. В целом, научная новизна и значимость проекта заключается в совместной с индийскими партнерами реализации комплексного подхода к разработке наноструктурного титана, сформированных на его поверхности пористых ПЭО и ПЭО-ЭФО композитных покрытий на основе оксида титана и гидроксиапатита и органических покрытий в порах для их применения в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, с доказательством их высокой биологической и антибактериальной активности по итогам испытаний in vitro. Компетенции российских исследователей в получении наноструктурного титана, ПЭО и органических биоактивных покрытий, а также значительный опыт индийских исследователей в получении наноструктурных биоактивных ПЭО-ЭФО покрытий на материалах для имплантатов позволяет реализовать синергетический эффект в области разработки для последующего практического использования перспективных имплантатов для зубной и челюстно-лицевой хирургии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дьяконов Г.С., Миронов С., Семенова И.П., Валиев Р.З., Семятин С.Л. EBSD analysis of grain-refinement mechanisms operating during equal-channel angular pressing of commercial-purity titanium Acta Materialia, том 173, с. 174-183 (год публикации - 2019)
10.1016/j.actamat.2019.05.014

2. Ли Ц., Чжао Ш., Ван Б., Цуй Ш., Чен Р., Валиев Р.З., Майерс М.А. The effects of ultra-fine-grained structure and cryogenic temperature on adiabatic shear localization in titanium Acta Materialia, том 181, с. 408-422 (год публикации - 2019)
10.1016/j.actamat.2019.09.011

3. Валиев Р.З., Парфенов Е.В., Парфенова Л.В. Developing Nanostructured Metals for Manufacturing of Medical Implants with Improved Design and Biofunctionality Materials Transactions, том 60, номер 7, с. 1356-1366 (год публикации - 2019)
10.2320/matertrans.MF201943

4. Кодиров И.С., Валиев Р.З., Рааб Г.И., Алешин Г.Н., Рааб А.Г. Structural features and mechanical properties of Grade 4 titanium from VSMPO-AVISMA (Russia) and Grade 4 titanium from Carpenter Technology Corporation (USA), subjected to ECAP-Conform IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, том 672, номер статьи 012016 (год публикации - 2019)
10.1088/1757-899X/672/1/012016

5. Рамешбабу Н., Рависанкар Б., Сайкиран А., Парфенов Е.В., Валиев Р.З. Surface modification of CP-Ti metallic implant material by plasma electrolytic oxidation IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, том 672, номер статьи 012012 (год публикации - 2019)
10.1088/1757-899X/672/1/012012

6. Стоцкий А.Г., Мукаева В.Р., Фаррахов Р.Г., Дьяконов Г.С., Парфенов Е.В. Исследование режимов формирования покрытий методом плазменно-электролитического оксидирования на титане Grade 4 Вестник УГАТУ (год публикации - 2019)

7. Парфенов Е.В., Парфенова Л.В., Мукаева В.Р., Фаррахов Р.Г., Стоцкий А.Г., Рааб А.Г., Данилко К.В., Рамешбабу Н., Валиев Р.З. Biofunctionalization of PEO coatings on titanium implants with inorganic and organic substances Surface & Coatings Technology, Т. 404, номер публикации 126486 (год публикации - 2020)
10.1016/j.surfcoat.2020.126486

8. Стоцкий А.Г., Мукаева В.Р., Фаррахов Р.Г., Рааб А.Г., Парфенов Е.В. Исследование плазменно-электролитических покрытий на ультрамелкозернистом титане Grade 4 Вестник УГАТУ, Т. 24, № 3 (89), с. 36–44 (год публикации - 2020)

9. Валиев Р.З., Прокофьев Е.А., Казаринов Н.А., Рааб Г.И., Минасов Т.Б, Страски Й. Developing Nanostructured Ti Alloys for Innovative Implantable Medical Devices Materials, Т. 13, вып. 4, номер публикации 976 (год публикации - 2020)
10.3390/ma13040967

10. Галимшина З.Р.,Гильфанова Г.У., Алибаева Е.И., Пашкова Т.М., Карташова О.Л., Парфенова Л.В. Synthesis of conjugates of hyaluronic acid with amino acid bisphosphonates as antimicrobial organic coatings for PEO-modified titanium implants AIP Conference Proceedings (год публикации - 2020)

11. Парфенов Е.В., Кулясова О.Б., Мукаева В.Р., Минго Б., Фаррахов Р.Г., Чернейкина Я.Г., Ерохин А., Женг Ю.Ф., Валиев Р.З. Influence of ultra-fine grain structure on corrosion behaviour of biodegradable Mg-1Ca alloy Corrosion Science, Т. 163, номер статьи 108303 (год публикации - 2020)
10.1016/j.corsci.2019.108303

12. Баласубраманиан Р., Нагумоту Р., Парфенов Е., Валиев Р. Development of nanostructured titanium implants for biomedical implants – A short review Materials Today: Proceedings, V. 46, Part 2, pp. 1195-1200 (год публикации - 2021)
10.1016/j.matpr.2021.02.064

13. Парфенова Л.В., Галимшина З.Р., Гильфанова Г.У., Алибаева Э.И., Парфенов Е.В., Валиев Р.З. Hybrid organic materials for modeling the biocompatibility of metal implants Materials. Technologies. Design, V. 3, No. 3(5) (год публикации - 2021)

14. Парфенова Л.В., Галимшина З.Р., Гильфанова Г.У., Алибаева Э.И., Даникло К.В., Пашкова Т.М., Карташова О.Л., Фаррахов Р.Г., Мукаева В.Р., Парфенов Е.В., Нагумоту Р., Валиев Р.З. Hyaluronic acid bisphosphonates as antifouling antimicrobial coatings for PEO-modified titanium implants Surfaces and Interfaces (год публикации - 2021)

Публикации