Многофункциональные биодеградируемые покрытия нового поколения для контроля процессов резорбции материалов на основе магния: механизм самозалечивания, персонализированная медицина

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 21-73-10148

НазваниеМногофункциональные биодеградируемые покрытия нового поколения для контроля процессов резорбции материалов на основе магния: механизм самозалечивания, персонализированная медицина

Руководитель Гнеденков Андрей Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-402 - Электрохимия и коррозия металлов

Ключевые слова Гибридные покрытия, плазменное электролитическое оксидирование, биоактивность, механизм коррозионной деградации, защитные свойства, ингибитор коррозии, сканирующий вибрирующий зонд, сканирующий ионоселективный электрод, биорезорбируемые сплавы магния, гетерогенный коррозионный процесс, функциональный материал, чистый магний, аддитивные технологии, биодеградируемые имплантаты, самозалечивание

Код ГРНТИ31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы большое внимание уделяется улучшению качества жизни населения, средней её продолжительности, повышению уровня медицинской помощи, созданию оптимальных условий для восстановления здоровья людей. Травматизм является одной из наиболее частых причин временной нетрудоспособности и смертности населения. Помимо этого, ущерб от травматизма в мире вызывает существенные экономические затраты. Для лечения и восстановления целостности костной ткани в случае сложных переломов используются металлические имплантаты (остеофиксаторы) в виде пластин, штифтов и винтов, необходимых для фиксации костных фрагментов в определенном положении и их срастания. Особое внимание в последнее время уделяется разработке временно устанавливаемых биорезорбируемых имплантатов. Такие изделия выполняют свою функцию в течение периода реабилитации, а затем растворяются в организме. Использование такого материала в хирургии позволит избежать повторных операций для извлечения выполнившего свою функцию имплантата. В мире многими научными группами ведутся работы, направленные на создание новых биоактивных и биорезорбируемых имплантатов на металлической основе. Благодаря уникальным механическим характеристикам, близким по значениям к параметрам костной ткани, Mg-содержащие изделия рассматриваются как идеальные кандидаты на роль временных биорезорбируемых имплантатов. Учитывая высокую коррозионная активность магния и его сплавов в различных средах, применение таких материалов в среде человеческого организма может быть ограничено преждевременным растворением временного имплантата до момента полной реабилитации пациента. Присутствие в составе магниевых сплавов различных фаз, интерметаллических включений, обладающих различной коррозионной активностью, приводит к возникновению гальванопар, ускоряющих коррозию изделия. Для снижения скорости биодеградации магнийсодержащих материалов необходимо создание защитного слоя на их поверхности. Это возможно только в случае установления взаимосвязи между условиями формирования защитного слоя и его электрохимическими, морфологическими характеристиками. Модифицированный биоактивный слой на поверхности биорезорбируемого материала должен защищать временный имплантат в течение определенного фиксированного периода, предназначенного для лечения травмы, ускоряя рост костной ткани. Срок службы такого изделия будет зависеть от тяжести перелома и будет регулироваться технологическими режимами нанесения защитного слоя. Учитывая, что одной из задач мировой науки является обеспечение требуемых свойств изделий, используемых в различных областях (в том числе в сфере имплантационной хирургии, персонализированной медицины), данный проект направлен на разработку физико-химических основ и способов формирования на поверхности магнийсодержащих материалов гибридных антикоррозионных покрытий с использованием метода плазменного электролитического оксидирования (ПЭО) и последующей его модификацией ингибиторами коррозии и полимерным материалом. Метод плазменного электролитического оксидирования – один из перспективных и востребованных способов нанесения оксидных слоев с широким спектром функциональных свойств. Методом ПЭО можно формировать кальций-фосфатные слои (в том числе содержащие гидроксиапатит), позволяющие достичь необходимую биосовместимость имплантата и ускорить остеогенез. Тем не менее данные покрытия не защищают Mg-сплав от коррозии в должной степени. Одной из основных причин коррозионной активности в этом случае является наличие макро- и мезопор в защитном покрытии, сквозь которые коррозионно-активные компоненты диффундируют к подложке. Вместе с тем, этот недостаток ПЭО-слоя можно обратить в преимущество. Наличие пористого внешнего слоя позволяет использовать его в качестве контейнера для материалов или веществ, оказывающих ингибирующее действие на коррозионный процесс магниевого сплава. Более того, для создания надежного защитного слоя, сохраняющего биоактивные свойства магнийсодержащего материала, необходимо дозировано сужать или запечатывать поры в поверхностной части ПЭО-покрытия. Одним из путей решения данной задачи является модификация ПЭО-слоя, обеспечивающая формирование композиционного коррозионностойкого биоактивного покрытия, ограничивающего доступ коррозионноактивной среды к материалу, с одной стороны, и ускоряющего рост костной ткани, с другой. Присутствие в составе ПЭО-слоя такого биоактивного компонента как гидроксиаппатит будет способствовать росту костной ткани и улучшению биосовместимости имплатационного материала в организме человека. Присутствие ингибитора коррозии в составе защитного слоя придаст активную защиту материалу при повреждении покрытия, а также обеспечат антибактериальными свойствами поверхность временного имплантата. Актуальность данного проекта обусловлена необходимостью разработки способов формирования на поверхности магниевых сплавов и чистого магния гибридных антикоррозионных биоактивных покрытий, позволяющих сохранить механическую прочность и целостность имплантата в течение времени, необходимого для срастания кости и восстановления ее функций, и способствующих процессам остеогенеза, протекающим в период реабилитации. В настоящее время особый интерес представляют магниевые сплавы, легированные нетоксичными для организма элементами, например, кальцием, марганцем. Благодаря присутствию данных элементов в организме человека (кальций является основным элементом костной ткани; марганец необходим для поддержания здоровой структуры костей, влияет на функцию иммунной системы, свертывание крови, регуляцию клеточной энергии и синтез нейромедиаторов; магний является составной частью абсолютно всех тканей и клеток организма человека), магниевые сплавы, легированные нетоксичными для человеческого организма компонентами, обладают высокой биосовместимостью и являются перспективными для использования в имплантационной хирургии в качестве биорезорбируемого материала. В последние годы наблюдается развитие персонализированной медицины, ведется разработка способов быстрого изготовления имплантата, индивидуально подходящего для конкретного пациента, учитывая его анатомические и физиологические особенности, а также уровень повреждения кости вследствие получения травмы. Прогресс в области аддитивных технологий напрямую способствует развитию возможностей создания индивидуальных имплантатов различной геометрии. В данной работе объектами исследования будут выступать биосовместимые магниевые сплавы и чистый магний, полученный с использованием аддитивной технологии – лазерной порошковой наплавки. Разработка новых материалов, представляющих собой гибридные покрытия, состоящие из антикоррозионного биоактивного слоя, полученного методом ПЭО, импрегнированного ингибитором коррозии, обеспечивающего активную защиту от коррозии и обладающего антибактериальным действием, а также биоинертного полимерного материала позволит существенным образом расширить область практического применения материалов на основе магния и сделает их реальными и перспективными кандидатами для использования в имплантационной хирургии. Таким образом, в ходе реализации проекта будут разработаны многофункциональные композиционные полимерсодержащие защитные покрытия, импрегнированные биоингибитором, на поверхности биорезорбируемых сплавах магния и образцах магния, полученных с использованием аддитивных технологий. Следует отметить, что направленное формирование биоактивных антикоррозионных покрытий на поверхности биорезорбируемого магнийсодержащего материала для имплантационной хирургии возможно лишь при тщательном изучении их свойств новыми локальными (Scanning Vibrating Electrode Technique (SVET), Scanning Ion-Selective Electrode Technique (SIET)) и традиционными электрохимическими методами: 1) характера и особенностей электрохимических процессов, протекающих на поверхности материалов на основе магния; 2) механизма биорезорбции материалов в условиях in vitro; 3) влияния продуктов коррозии, образующихся на поверхности, на скорость биорезорбции имплантационного материала; 4) влияния формируемых поверхностных слоев на интенсивность и механизм коррозионного процесса. Таким образом, предлагаемые подходы позволят разработать способы направленного формирования на магнийсодержащих материалах гибридных биоактивных покрытий, обладающих антибактериальными свойствами, функцией самозалечивания и обеспечивающих необходимую скорость биорезорбции имплантационного материала в среде организма, а также ускоряющих остеогенез. Предлагаемые подходы в области формирования и исследования электрохимических свойств оксидных структур не уступают мировому уровню, а в применении к исследованию гетероструктур, сформированных на биорезорбируемых магнийсодержащих материалах методом плазменного электролитического оксидирования, являются новаторскими. Научная новизна предлагаемых подходов заключается в установлении и научном обосновании взаимосвязи между условиями формирования, составом и электрохимическими свойствами поверхностных слоёв на сплавах магния и чистого магния, полученного с помощью аддитивных технологий, перспективных для использования в имплантационной хирургии. Впервые с использованием локальных сканирующих электрохимических методов исследования поверхности (SVET, SIET) в сочетании с традиционными методами оценки скорости коррозии будет изучена гетерогенность магнийсодержащих материалов с гибридными покрытиями (в том числе сформированными с использованием ПЭО), а также стадийность и механизм биорезорбции в условиях in vitro. Решение задачи проекта, посвященной разработке новых стратегий активного управления кинетикой биорезорбции магнийсодержащих имплантатов позволит увеличить эффективность использования изделий в сфере биомедицины, что в свою очередь будет способствовать развитию внутреннего рынка продуктов РФ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Машталяр Д.В., Надараиа К.В., Белов Е.А., Имшинецкий И.М., Кирюхин Д.П., Синебрюхов С.Л., Бузник В.М., Гнеденков С.В. Synthesis of polymeric system based on polyethylene oxide and tetrafluoroethylene telomers to obtain films with switchable wettability Journal of Molecular Liquids, Volume 350, 15 March 2022, 118225 (год публикации - 2021)
10.1016/j.molliq.2021.118225

2. Подгорбунский А.Б., Имшинецкий И.М., Машталяр Д.В., Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Использование синтетического наноразмерного гидроксиапатита для формирования биоактивных антикоррозионных покрытий на магнии Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук, номер 5(219), стр. 43-55 (год публикации - 2021)
10.37102/0869-7698_2021_219_05_04

3. Гнеденков А.С., Филонина В.С., Синебрюхов С.Л., Сергиенко В.И., Гнеденков С.В. Гибридные полимерсодержащие покрытия, импрегнированные ингибитором коррозии, для защиты биорезорбируемых магниевых имплантатов Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук, номер 5(219), стр. 56-64 (год публикации - 2021)
10.37102/0869-7698_2021_219_05_05

4. Гнеденков А.С., Ломако С.В., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Желудкевич М.Л., Гнеденков С.В. Фундаментальные аспекты локальной коррозии магниевых сплавов, перспективных для имплантационной хирургии Цветные металлы, Выпуск 12, Страницы 47 - 522021 (год публикации - 2021)
10.17580/tsm.2021.12.07

5. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Егоркин В.С., Устинов А.Ю., Сергиенко В.И., Гнеденков С.В. The detailed corrosion performance of bioresorbable Mg-0.8Ca alloy in physiological solutions Journal of Magnesium and Alloys, Available online 29 December 2021 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jma.2021.11.027

6. Кононенко Я.И., Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Вялый И.Е., Гнеденков С.В. Composite triazole-containing PEO-coatings for effective corrosion protection of AlMg3 aluminum alloy St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 2022, Vol. 15, No. 3.1, P. 173-178 (год публикации - 2022)
10.18721/JPM.153.129

7. Номеровский А.Д., Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Preparation of layered double hydroxide on PEO-coated MA8 magnesium alloy: electrochemical and corrosion properties St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 2022, Vol. 15, No. 3.1, P. 197-203 (год публикации - 2022)
10.18721/JPM.153.133

8. Сучков С.Н., Надараиа К.В., Имшинецкий И.М., Машталяр Д.В., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Evaluation of surface free energy of bioactive coatings in titanium and magnesium alloy St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 2022, Vol. 15, No. 3.1, P. 191-196 (год публикации - 2022)
10.18721/JPM.153.132

9. Филонина В.С., Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Минаев А.Н., Гнеденков С.В. In vitro corrosion behavior of bioresorbable Mg-Ca alloy with hydroxyapatite-containing protective coating St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 2022, Vol. 15, No. 3.1, P. 227-231 (год публикации - 2022)
10.18721/JPM.153.138

10. Гнеденков А.С., Номеровский А.Д., Цветников А.К., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Формирование композиционных полимерсодержащих покрытий на стали Ст3 с применением технологии холодного газодинамического напыления Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук, номер 6(226), стр. 35-45 (год публикации - 2022)
10.37102/0869-7698_2022_226_06_3

11. Гнеденков А.С., Филонина В.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Композиционные стеаратсодержащие покрытия для контроля скорости резорбции биомедицинских изделий из магниевого сплава МА8 Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук, номер 6(226), стр. 46-56 (год публикации - 2022)
10.37102/0869-7698_2022_226_06_4

12. Гнеденков А.С., Кононенко Я.И., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Вялый И.Е., Гнеденков С.В. Влияние ингибиторов группы азолов на антикоррозионную эффективность покрытий, сформированных на алюминиевом сплаве Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук, номер 6(226), стр. 57-65 (год публикации - 2022)
10.37102/0869-7698_2022_226_06_5

13. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Плехова Н.Г., Гнеденков С.В. Smart composite antibacterial coatings with active corrosion protection of magnesium alloys Journal of Magnesium and Alloys, Volume 10, Issue 12, December 2022, Pages 3589-3611 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jma.2022.05.002

14. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Cергиенко В.И., Гнеденков С.В. Физико-химические основы локальной гетерогенной коррозии магниевых и алюминиевых сплавов ТЕХНОСФЕРА, Москва, Москва, ТЕХНОСФЕРА, 2022. 424 с.: илл. 287, библиогр. 877 назв. (год публикации - 2022)
10.22184/978-5-94836-661-6

15. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Гнеденков С.В. Особенности коррозии биорезорбируемых магниевых сплавов: in vitro исследования, формирование защитных покрытий ГЕНЫ И КЛЕТКИ, 2022. Том: 17, № 3. С. 55. (год публикации - 2022)

16. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Устинов А.Ю., Суховерхов С.В., Гнеденков С.В. New polycaprolactone-containing self-healing coating design for enhance corrosion resistance of the magnesium and its alloys Polymers, Polymers 2023, 15(1), 202 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15010202

17. Гнеденков А.С., Номеровский А.Д., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Устинов А.Ю., Гнеденков С.В. Design of self-healing PEO-based protective layers containing in-situ grown LDH loaded with inhibitor on the MA8 magnesium alloy Journal of Magnesium and Alloys, Volume 11, Issue 10, October 2023, P. 3688-3709 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jma.2023.07.016

18. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Устинов А.Ю., Гнеденков С.В. Hybrid Coatings for Active Protection against Corrosion of Mg and Its Alloys Polymers, 15 (14), 3035 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15143035

19. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Гнеденков С.В. Олеатсодержащие биосовместимые покрытия для защиты биодеградируемых магниевых имплантатов Цветные металлы, 2023. № 9, С. 37-45. (год публикации - 2023)
10.17580/tsm.2023.09.04

20. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Гнеденков С.В. Антикоррозионные гидроксиапатитсодержащие покрытия для функционализации биорезорбируемых магниевых сплавов Химическая технология, 2023. Т. 24, № 10. С. 374–385. (год публикации - 2023)
10.31044/1684-5811-2023-24-10-374-385

21. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Гнеденков С.В. Новые гибридные покрытия для контроля скорости деградации магниевого сплава МА8 Химическая технология, 2023. Т. 24, № 11. С. 402–414 (год публикации - 2023)
10.31044/1684-5811-2023-24-11-402-414

22. Гнеденков А.С., Филонина В.С., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. A Superior Corrosion Protection of Mg Alloy via Smart Nontoxic Hybrid Inhibitor-Containing Coatings Molecules, 2023, 28(6), 2538 (год публикации - 2023)
10.3390/molecules28062538

23. Гнеденков А.С., Кононенко Я.И., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Вялый И.Е., Номеровский А.Д., Устинов А.Ю., Гнеденков С.В. The Effect of Smart PEO-Coatings Impregnated with Corrosion Inhibitors on the Protective Properties of AlMg3 Aluminum Alloy Materials, 2023, 16(6), 2215 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16062215

24. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Гнеденков С.В. Hydroxyapatite-containing PEO-coating design for biodegradable Mg-0.8Ca alloy: formation and corrosion behaviour Journal of Magnesium and Alloys, Journal of Magnesium and Alloys, Available online, 24 December 2022 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jma.2022.12.002

25. Гнеденков А.С., Синебрюхов С.Л., Филонина В.С., Минаев А.Н., Гнеденков С.В. Многофункциональные покрытия с эффектом самозалечивания на сплаве магния МА8 Химическая технология, 2024. Т. 25, № 5. С. 162–174 (год публикации - 2024)
10.31044/1684-5811-2024-25-5-162-174

26. Гнеденков А.С., Номеровский А.Д., Цветников А.К., Синебрюхов С.Л., Гнеденков С.В. Cold-sprayed Composite Metal-fluoropolymer Coatings for Alloy Protection against Corrosion and Wear Materials, 2023, 16(3), 918 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16030918

Публикации