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