Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках первого года выполнения проекта получены результаты по всем трем основным составляющим данной работы: (1) выбора новых резорбируемых керамических составов, (2) технологии получения остеокондуктивных матриксов, (3) оптимизации макропористой архитектуры. (1) . Исследованы фазовые равновесия в системе Са3(РО4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 и построены различные варианты фазовой диаграммы. Эти результаты являются основой для выбора составов для изготовления резорбируемой прочной остеокондуктивной керамики., в качестве которых предложены 1) Са3-(0.4-0.5)(Na0.4K0.6)2(0.4-0.5)(PO4)2, композит из нагельшмидтита (высокорезорбируемая фаза, при охлаждении может частично распадаться на β-CaK0.6Na0.4PO4 и β-ТКФ) и α-СаМРО4 (высокорезорбируемая фаза, при медленном охлаждении может распадаться на β-CaK0.6Na0.4PO4 и β-ТКФ), 2) Са3-(~0.3)(Na0.4K0.6)2(~0.3)(PO4)2, нагельшмидтитный твердый раствор (при охлаждении может частично распадаться на β-CaK0.6Na0.4PO4 и β-ТКФ), 3) Са3-(0.15-0.3)(Na0.4K0.6)2(0.15-0.3)(PO4)2, композит из нагельшмидтита (высокорезорбируемая фаза, при охлаждении может частично распадаться на β-CaK0.6Na0.4PO4 и β-ТКФ) и β-ТКФ. (2) Стереолитографической 3D-печатью из фотосуспензий с 40% содержанием CaK0.6Na0.4PO4 были изготовлены керамические макропористые имплантаты диаметром 5 мм (макропоры 750 мкм, доля пор 70%) со структурами Кельвина и гироида , которые продемонстрировали прочность на сжатие в среднем около 3 МПа и максимумом прочности около 6 МПа. Для плавного удаления полимерной составляющей и эффективного спекания керамики были разработаны специальные режимы. (3) Проведено моделирование протекания жидкостей различной реологии (вода, кровь) в различных направлениях макропористых имплантатов, с различными скоростями потока для архитектур порового пространства типа моделей Кельвина и гироида. Для проверки адекватности реализованного на этом и предыдущем этапе моделирования проницаемости имплантатов проведено исследование in vivo по интеграции имплантата в кость крысы. Имплантаты представляли собой биорезорбируемые пористые 3D-конструкции на основе структуры Кельвина диаметром 2.9 мм с порами 750 мкм, полученные методом стереолитографической 3D-печати с последующим спеканием. Химический состав соответствовал твердому раствору А - Ca2.5Na(PO4)2, одному из составов с наиболее быстрой кинетикой растворения в организме (резорбции). В качестве образца сравнения выступал широко распространённый синтетический материал для трансплантологии и протезирования на основе β-трикальциевого фосфата - СhronOS. По данным проведённого гистологического исследования и морфологического анализа тестируемый материал не уступает материалу сравнения и есть основания полагать, что в некоторых аспектах превосходит его. В частности, 1) большей остеокондуктивности, 2) более быстрой адаптации организма к имплантату, 3) быстрой деградации остатков имплантата, т.е. более выраженной резорбции. Все запланированные научные результаты достигнуты. По результатам выполнения этапов проекта в системе «Истина» создана Интернет-страница: https://istina.msu.ru/projects/55644926/

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках заключительного года выполнения проекта получены новые результаты по всем трем основным составляющим данной работы: (1) выбора новых резорбируемых керамических составов, (2) технологии получения остеокондуктивных матриксов, (3) оптимизации макропористой архитектуры. (1) Уточнены границы фазовых полей диаграммы квазибинарного разреза CaKPO4 - CaNaPO4. Предложены варианты фазовых отношений в изотермических сечениях фазовой диаграммы Ca3(PO4)2 - CaKPO4 - CaNaPO4 при 500ºС и 1200ºС. В области температур спекания керамики (1200°С) в фазовых равновесиях участвуют фазы ТКФ (β-Са3(РО4)2), «А» (Са5Na2(PO4)4), «X» (Са8К2(РО4)6) и α- CaKyNa1-yPO4. При температурах 500°С и ниже в фазовых равновесиях участвуют фазы β-ТКФ, β-CaKyNa1-yPO4, β-CaNaPO4 и β-CaKPO4. Практический интерес с точки зрения использования в качестве резорбируемой биокерамики представляют составы, принадлежащие к однофазной области твердого раствора фазы «А», двухфазной области «А»+β-ТКФ и трехфазной области «А»+«Х»+β-ТКФ. Теоретический расчет и экспериментальное изучение резорбционных свойств керамики показало, что при увеличении доли калия в керамике слабо увеличивается растворимость вследствие увеличения доли промежуточной фазы β-CaKyNa1-yPO4, обладающей набольшей растворимостью среди других фаз. Изученная трёхфазная керамика растворяется практически с постоянной достаточно малой скоростью (порядка 2·10-4 мин-1) в отличие от керамических гранул составляющих ее фаз. Это является хорошей предпосылкой для прогнозирования скорости растворения будущего материала, поскольку в таком случае становится возможным скомпенсировать падение прочности растворяющегося имплантата врастанием в него новообразующейся костной ткани. . (2) По данным зависимости глубины полимеризации от дозы излучения были определены параметры для стереолитографической печати. Увеличение доли наполнения порошком суспензий приводит к уменьшению фоточувствительности и критической энергии полимеризации, а, следовательно, к увеличению дозы излучения, требуемой для полимеризации единичного слоя при печати. Исследование влияния свойств фотополимерной матрицы композитов полимер/смешанные фосфаты кальция, полученных методом стереолитографической 3D-печати, показало, что характер полимерной матрицы (термопласт, термореактопласт) и степень ее полимеризации вносит значительный вклад в плотность керамического сырца после удаления органической части из композита. Композиты имеющие слабо заполимеризованную фотополимерную матрицу, позволяют получить плотность керамического сырца 40% при массовой доле фосфатного порошка в суспензии 25%. Использование низких массовых загрузок порошка в фотоотверждаемых суспензиях позволяет повысить разрешение, детализацию, а также уменьшить размеры элементов конечного керамического изделия за счет усадки в ходе термической обработки. Получение более плотных керамических сырцов на основе кальцийфосфатных суспензий с низкой загрузкой требует дополнительного изучения процессов удаления полимерной составляющей композитов в ходе термической обработки. Исследование спекания модельной плотной керамики различного состава в изотермическом и двухстадийном режимах, а также электроискровым методом, показало, что плохое уплотнение керамики на основе смешанно-катионных фосфатов кальция-натрия-калия связано со значительным вкладом рекристаллизации в процесс спекания. Улучшение уплотнения и микроструктуры керамики может быть достигнуто за счет использования альтернативных методов спекания, подобных электроискровому (до 97% плотности при размерах зерен до нескольких микрон). Для спекания макропористых керамических имплантатов из тройных фосфатов кальция-натрия-калия целесообразно применить альтернативные методы спекания, не использующие давления: флэш-спекание (flash-sintering) или микроволновое спекание. (3) Результаты гидродинамического моделирования проницаемости керамики (как меры ее остеокондуктивных свойств) показывают, что структуры Кельвина, гироид и алмаз демонстрируют сопоставимую проницаемость (от 426 до 1711 дарси, от 395 до 1841 дарси и от 218 до 1973 дарси, соответственно, в зависимости от направления и пористости). Корректнее, по-видимому, сравнить число вариантов с проницаемостью более 800 дарси (сопоставимой с таковой для трабекулярной кости). При таковом сопоставлении архитектуры выстраиваются в ряд: Кельвин > гироид> алмаз, что свидетельствует о большем числе разнонаправленных прямолинейных каналов пор в структуре Кельвина. Учитывая, что структура Кельвина – решетчатая конструкция с участками преимущественно положительной кривизны, гироид – трехмерная минимальная поверхность, состоящая из седловых точек, обе конструкции следует рассматривать в качестве перспективных для создания макропористой архитектуры. Обе имеют значительную проницаемость, но разные свойства, с точки зрения кривизны поверхности (важной для пролиферации клеток). Для уверенного превышения проницаемости величины 800 дарси в случае цилиндрических имплантатов с радиусом 1.5 мм и длиной 6 мм структуры Кельвина и гироида должна иметь пористость не менее 70% и размер пор не менее 750 мкм. По результатам клеточных исследований in vitro разработанные керамические материалы являются нетоксичными, однако, обладают различной биологической активностью. Плотные образцы керамики, спекаемой в трехфазной области в отличие от образцов с трехмерной архитектурой намного быстрее зарастают осаждающимся гидроксиапатитом, который ухудшает адгезивные и пролиферативные свойства материала; наличие каналов пор в структурах Кельвина и типа «гироид», а также большая площадь поверхности таких образцов положительно влияет на биосовместимость керамики с мезенхимными стволовыми клетками человека. В экспериментах in vivo на модели монокортикального дефекта бедренной кости крысы с размером заведомо выше критического после 6 недель имплантации отмечено 1) отсутствие воспалительной реакции и нагноения – свидетельство биосовместимости, 2) заполнение имплантата образующейся тканью с хорошим прилеганием к поверхности материала – свидетельство остеокондуктивности, 3) уменьшение объема материала вследствие резорбции. Все запланированные научные результаты достигнуты. По результатам выполнения этапов проекта в системе «Истина» создана Интернет-страница: https://istina.msu.ru/projects/55644926/