Создание высокопористой биосовместимой керамики методами темплатного золь-гель синтеза и искрового плазменного спекания для регенеративной костной хирургии
Название проекта:
Создание высокопористой биосовместимой керамики методами темплатного золь-гель синтеза и искрового плазменного спекания для регенеративной костной хирургии
Номер соглашения:
18-73-10107-П
Руководитель проекта:
Папынов Евгений Константинович
Сроки выполнения:
13.12.2021-30.06.2023
Основные полученные результаты:
Весь объем запланированных исследований выполнен в полной мере. 1. Разработан оригинальный способ золь-гель (темплатного) синтеза, в гидротермальных условиях микроволнового разогрева (СВЧ-нагрев), и получены дисперсные пористые резорбируемые биоматериалы на основе CaSiO3, CaCO3, Ca3(PO4)2, Ca10(PO4)6(OH)2, композита CaSiO3/Na4Ca4(Si6O18) с использованием порообразующих темплатов (полимерный силоксан-акрилатный латекс) и матрицы скелета морского ежа Mesocentrotus nudus для формирования развитой системы (микро-, мезо- и макро-) пор. Установлены физико-химические закономерности новых способов синтеза, на основе которых оптимизированы условия формирования требуемого комплекса фазовых и структурных характеристик, что наделяет биоматериалы уникальными бисовместимыми, биоактивными, биорезорбируемыми и сорбционно-селективными свойствами, обеспечивающие их использование в качестве остеопластичеких имплантатов и доставщиков лекарственных препаратов для лечения соответствующих заболеваний. Установлен механизм сорбции и определена сорбционная емкость химиотерапевтического препарата 5-ФУ ([C4H3FN2O2]), которая варьируема и достигает до 5 масс.% на 1 г сорбента. Скорость десорбции (период полувыноса) 5-ФУ в организме достигает до 37 масс.% в течение первых 11 суток и может быть варьируема в зависимости от состава и скорости резорбции биоматериала как носителя. 2. На моделях “in vitro” проведена оценка биосовместимых свойств дисперсных биоматериалов (CaCO3, Ca3(PO4)2, Ca10(PO4)6(OH)2)), а также их насыщенных 5-ФУ форм. Изучены функциональная активность (метаболизм и продукцию цитокинов) клеток врожденного иммунитета (нейтрофилов, макрофагов), апоптоз, активность АТФазы. Подтверждена биосовместимость изучаемых образцов в отношении клеток при относительно низком цитотоксичном воздействии для образцов, не содержащих 5-ФУ. 3. На моделях “in vivo” проведена оценка биосовместимых свойств полученных дисперсных биоматериалов (CaCO3, Ca3(PO4)2, Ca10(PO4)6(OH)2)), в том числе в составе с химиотерапевтическим препаратом 5-ФУ, в условиях их имплантации в мягкие ткани лабораторных животных (кроли-самки породы «Новозеландский белый»). По данным гематологических показателей крови, томографическому анализу, гистологическим исследованиям соединительных капсул и тканей, а также органов (лимфоузлы подмышечные, печень, почки, мышцы), находившихся в контакте с имплантированными материалами, доказано, что синтезированные биоматериалы без 5-ФУ не проявляют местную и общую токсичность на организм и могут быть перспективны в качестве доставщиков 5-ФУ для лечения локальных пораженных областей органов. 4. Разработан способ сверхбыстрой консолидации по технологии ИПС и реакционного ИПС и получены образцы объемно-структурированных биокерамик на основе волластонита (CaSiO3) и ZrO2 и Al2O3 в составе с 15, 20 и 50 масс.% гидроксиапатита (CaSiO3-ГАП, ZrO2-ГАП, Al2O3-ГАП). Установленный механизм ИПС консолидации двухстадийный, обусловлен механическим и термическим воздействием (вторая стадия определяющая), в результате достигается формирование конструкционно прочного (σсж= 192.5-281.5 Мпа, твердость 3.2-4.9 ГПа) биокерамического каркаса с иерархическим распределением открытых пор 100-200 нм и 1-500 мкм, за короткое (минуты) время цикла разогрева (до 300 °С/мин) и циклом спекания более 7 минут, при условии дополнительной термоокислительной обработки для деструкции порообразующих темплатов. Установленный механизм формирования биокомпонента в виде ГАП в составе формируемой биокерамики реализуется в условиях искрового плазменного разогрева по реакции “in situ” взаимодействия реакционной смеси (CaO и CaHPO4). Комплекс достигнутых фазовых, структурных и прочностных характеристик, а также доказанные на моделях “in vitro” и “in vivo” биосовместимые свойства образцов, подтверждают их соответствие функциональному подобию натуральной кости. 6. Разработан оригинальный способ получения нового функционально-градиентного биоматериала (ФГБМ) на основе состава CaSiO3-(20 масс.%) ГАП, по технологии ИПС, армированного матрицей титанового сплава Ti6Al4V, полученной аддитивным производством. Показана эффективность способа консолидации наноструткурированного порошка биокомпозита CaSiO3-(20 масс.%)ГАП (разработан в рамках проекта по технологии золь-гель (темплатного) синтеза) в объеме с Ti6Al4V армирующей матрицей с получением биокерамики в виде ФГБМ целостной формы, характеризующегося микротвердостью по Виккерсу для сплава ~500 HV и биокерамики ~560 HV и для области их контакта ~640 HV, KIc = 0.304 Мпа м1/2 (для биокерамики) и на границе контакта биокерамики и титанового сплава KIc = 0.417 МПа·м1/2. Обосновано, что в условиях ИПС на границе контакта керамика-сталь действует механизм диффузионного спекания с минимальными напряжениями из-за разницы КТЛР. Новый способ представляет перспективу для создания высокотехнологичных изделий имплантов для направленной регенерации костной ткани в областях крупных дефектов костей. 7. На моделях “in vivo” реализованы биоиспытания для образцов биокерамик, полученных по технологии ИПС, на основе волластонита (CaSiO3), волластонит с наночастицами золота (CaSiO3-Au, разработан ранее в Проекте 2018), волластонит с гидроксиапатитом в различном соотношении (CaSiO3-(20 масс.%)ГАП) и CaSiO3-(50 масс.%)ГАП) в условиях их имплантации в течение 3 месяцев в мягкие ткани лабораторных животных (кроли-самки породы «Новозеландский белый») в область холки. На экспериментальной модели эктомического остеогенеза доказано, что образцы керамики биосовместимы, так как нетоксичны и не вызывают выраженной воспалительной реакции окружающих тканей. 8. На модели “in vivo” оценена эффективность регенерации костных дефектов путем проведения операций по удалению зубов-резцов на нижней челюсти лабораторного животного (свинья) и имплантации образца порошка CaSiO3-(20 масс.%)ГАП (получен золь-гель (темплатным) синтезом) и образца сравнения (коммерческий имплантат «Биопласт-Дент») с периодом выдержки 3 месяца. В сравнительном аспекте изучены морфометрические параметры репарации костной ткани дефекта, где показано, что преимущественным отличием для CaSiO3-(20 масс.%)ГАП являются показатели морфометрических параметров костной ткани в отношении увеличения процента лакун с окрашенными клетками в остеоне, толщины периодонта и количества новообразованных капилляров в зоне базальной мембраны в периодонте, по сравнению с коммерческим аналогом. Это доказывает высокую биоактивность и, соответственно, перспективность использования порошка CaSiO3-(20 масс.%)ГАП в качестве синтетического импланта для восстановления дефектов костной ткани. 9. На модели “in vivo” проведено исследование биосовместимых свойств биокерамики на основе ZrO2-(15 масс.%)ГАП (полученной по технологии реакционного ИПС) имплантированного в лабораторного животного (кроль-самец породы «Новозеландский белый»), с выдержкой в течение 8 месяцев. По данным комплексного гистологического, морфометрического, гематологического, рентгенологического исследования доказано, что данный имплантат имеет высокую эффективность остеоинтеграции в костную ткань при трепанации черепа лабораторного животного. Установлено, что механизм остеоинтеграции обусловлен оссификацией новообразованной хрящевой ткани и перестройкой костного матрикса в области трепанационного дефекта в присутствии исследуемого костнокерамического матрикса. Доказана перспектива использования данного имплантата для нужд регенеративной костной хирургии. Запущены доклинические испытания согласно ГОСТ для разработанных биоматериалов с возможностью регистрации препарата. По результатам исследования опубликовано 8 научных статей (Scopus и Web of Science), включа журналы Q1 и Q2. Зарегистрированы 2 патента РФ на изобретения. Подготовлена к защите 1 кандидатская диссертация по специальности 1.5.22. Клеточная биология и 3 ВКР бакалавриата и магистратуры ДВФУ. Результаты исследования представлены региональными и федеральными СМИ, фондом РНФ.
Научная и практическая значимость:
Результаты проекта имеют высокий потенциал возможного практического применения в медицине. В частности, разработанные остеопластические и костно-керамические биоматериалы для реконструктивно-восстановительной костной хирургии, чрезвычайно перспективны в целях лечения заболеваний и устранения посттравматических состояний у пациентов любой возрастной категории, нуждающихся в реконструкции и замещении участков костной ткани, протезировании фрагментов опорно-двигательного аппарата и др. Разработанные в проекте и предложенные технологические способы их получения как в виде дисперсных форм, так и в виде объемных матриксов являются эффективными, дешевыми, доступными в применении и отличаются рядом преимуществ по сравнению с известными традиционными технологиями (низкие температуры, высокие скорости разогрева, короткое время выдержки и цикла спекания) с возможностью контроля состава и структурных характеристик, а также формирования ярко выраженных биоактивных свойств конечных изделий. Все это способно обеспечить производство более качественных востребованных изделий отечественного производства указанного назначения, оптимизировать технологические режимы за счет замены устаревшего и использования современного более эффективного оборудования. В этой связи, разработки имеют высокую социальную значимость, способны решить масштабную проблему в интересах государства, связанную с увеличением возраста социальной и трудовой активности населения.
Список основных публикаций:
1. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Апанасевич В.И., Плехова Н.Г., Белов А.А., Буравлев И.Ю., ПОртнягин А.С., Майоров В.Ю., Скурихина Е.Ю., Федорец А.Н., Буравлева А.А., Гридасова Е.А., Лембиков А.О., Грицук Д.В. (Papynov E.K., Shichalin O.O., Apanasevich V.I., Plekhova N.G., Belov A.A., Buravlev I.Yu., Portnyagin A.S., Mayorov V.Yu., Skurihina E.Yu., Fedorets A.N., Buravleva A.A., Gridasova E.A., Lembikov A.O., Gritsuk D.V.) Al2O3-phosphate bioceramic fabrication via spark plasma sintering-reactive synthesis: “in vivo” and microbiological investigation Ceramics International (2023 г.)
2. Папынов Е.К., Апанасевич В.И., Плехова Н.Г., Зиновьев С.В., Коцюрбий Е.А., Шичалин О.О., Модин Е.В., Коршунова О.В., Афонин И.С., Евдокимов И.О., Бардин А.А., Буравлев И.Ю. (Papynov E.K., Apanasevich V.I., Plekhova N.G., Zinoviev S.V., Kotciurbii E.A., Shichalin O.O., Modin E.B., Korshunova O.V., Afonin I.S., Evdokimov I.O., Bardin A.A., Buravlev, I. Yu.) Rabbit's cranial defect regeneration using a fine-grained ZrO2- (15 wt%)HAp ceramic implant fabricated by SPS-RS technique Ceramics International Vol. 48, N 10, P. 13817 - 13825 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.263 (2022 г.)
3. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Белов А.А., Буравлев И.Ю., Майоров В.Ю., Федорец А.Н., Буравлева А.А., Лембиков О.А., Грицук Д.В., Капустина О.В., Корнакова З.Э. (Papynov E.K., Shichalin O.O., Belov A.A., Buravlev I.Yu., Mayorov V.Yu., Fedorets A.N., Buravleva A.A., Lembikov A.O., Gritsuk D.V., Kapustina O.V., Kornakova Z.E.) CaSiO3-HAp metal-reinforced biocomposite ceramics for bone tissue engineering Journal of Functional Biomaterials Vol. 14, P. 259 https://doi.org/https://doi.org/10.3390/jfb14050259 (2023 г.)
4. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Капустина О.В., Буравлев И.Ю., Апанасевич В.И., Майоров В.Ю., Федорец А.Н., Лембиков А.О., Гритцук Д.Н., Оводова А.В., Шапкин Н.П. (Papynov E.K., Shichalin O.O., Kapustina O.V., Buravlev I.Yu., Apanasevich V.I., Mayrov V.Yu., Fedorets A.N., Lembikov A.O., Gritsuk D.N., Ovodova A.V., Shapkin N.P.) Synthetic Calcium Silicate Biocomposite Based on Sea Urchin Skeleton for 5-Fluorouracil Cancer Delivery Materials Vol. 16, 3495 https://doi.org/https://doi.org/10.3390/ma16093495 (2023 г.)
5. Шапкин Н.П., Папынов Е.К., Панасенко А.Е., Хальченко И.Г., Майоров В.Ю., Дроздов А.Л., Маслова Н.В., Буравлев И.Ю. (Shapkin N.P.; Papynov E.K.; Panasenko A.E.; Khalchenko I.G.; Mayorov V.Yu.; Drozdov A.L.; Maslova N.V.; Buravlev I. Yu.) Synthesis of porous biomimetic composites: A sea urchin skeleton used as a template Applied Sciences (Switzerland) Vol. 11, N 19, Art. N 8897 https://doi.org/10.3390/app11198897 (2021 г.)
6. Шичалин О.О., Тарабанова А.Е., Папынов Е.К., Федорец А.Н., Буравлев И.Ю., Капустина О.В., Корнакова З.Э., Грибова В.В., Грибанова С.С. (Shichalin O.O., Tarabanova A.E., Papynov E.K., Fedorets A.N., Buravlyev I.Yu., Kapustina O.V., Kornakova Z.E., Gribova V.V., Gribanova S.S.) Гибридный микроволновой твердофазный синтез волластонита на основе природного возобновляемого сырья Журнал неорганической химии Т. 9 (2022 г.)
7. Евдокимов И., Папынов Е., Шичалин О.,Афонин И., Апанасевич В., Толмачев В., Красников Ю., Гинулина Ю., Рева Г., Рева И., Усов В. (Evdokimov I., Papynov E., Shichalin O., Afonin I., Apanasevich V., Tolmachev V., Krasnikov Yu., Ginulina Yu., Reva G., Reva I., Usov V.) Influence of a highly porous ceramic implant based on zirconium oxide (ZrO2) on bone tissue regeneration Archiv euromedica Vol. 13., №1, 1-6 https://doi.org/10.35630/2023/13/1.212 (2023 г.)
8. Скурихина Ю.Е., Папынов Е.К., Зайцева Е.А., Шичалин О.О. (Skurihina Yu.E., Papynov E.K., Zayceva E.A., Shichalin O.O.) Особенности формирования бактериальных биопленок на керамике различного состава, используемой для ортопедического эндопротезирования Тихоокеанский медицинский журнал №1, 101-106 https://doi.org/10.34215/1609-1175-2023-1-104-107 (2023 г.)
9. Капустина О.В., Корнакова З.Э., Грибанова С.С, Шичалин О.О. (Kapustina O.V., Kornakova Z.E., Gribanova S.S., Shichalin O.O.) Влияние добавок La3+ к силикату кальция на сорбционную емкость 5-фторурацила Сборник тезисов докладов "XIII Конференции молодых ученых по общей и неорганической химии: Те- зисы докладов конференции" С. 91 (2023 г.)
10. Грибанова С.С., Шичалин О.О., Грибова В.В., Папынов Е.К. (Gribanova S.S., Shichalin O.O., Gribova V.V., Papynov E.K.) Магнитный композитный материал как носитель противоопухолевого препарата Материалы Региональной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по естественным наукам С. 339-340 (2022 г.)
11. Корнакова З.Э., Шичалин О.О., Папынов Е.К., Лембиков А.О., Капустина О.В., Азон С.А. (Kornakova Z.E., Shichalin O.O., Papynov E.K., Lembikov A.O., Kapustina O.V., Azon S.A.) Разработка биосовместимых материалов методом гидротермального синтеза для регенерации костной ткани Сборник тезисов докладов " XIII Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии" С. 41 (2023 г.)
12. Капустина О.В., Колодезников Э.С., Зернов Я.Г. (Kapustina O.V., Kolodeznikov E.S., Zernov Ya.G.) Сравнение методов синтеза силиката кальция, применяемого в качестве систем направленной доставки лекарственных средств Сборник тезисов докладов VI Форума молодых ученых "Будущее биомедицины 2023" С. 76-77 (2023 г.)
Результаты интеллектуальной деятельности:
1. Авторы РИД: Папынов Е.К., Шичалин О.О., Буравлев И.Ю., Апанасевич А.И., Афонин И.С. Вид РИД: Изобретение Название РИД: Способ изготовления биокерамики с использованием соединений кальция Дата заявки на регистрацию РИД / Реквизиты (номер патента или свидетельства о государственной регистрации) документа об охране исключительных прав (при наличии): 25.04.2023 / Патент 2023110524 Перечень правообладателей: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ)
2. Авторы РИД: Папынов Е.К., Шичалин О.О., Буравлев И.Ю., Апанасевич А.И., Афонин И.С. Вид РИД: Изобретение Название РИД: Способ изготовления биокерамики с использованием соединений кальция_ Дата заявки на регистрацию РИД / Реквизиты (номер патента или свидетельства о государственной регистрации) документа об охране исключительных прав (при наличии): 25.04.2023 / Патент 2023110525 Перечень правообладателей: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ)