Композиционный материал на основе поликапролактона и гидроксиапатита для 3D печати персонализированных остеостимулирующих скаффолдов

Среди ключевых факторов приобретения инвалидности в мире,
заболевания опорно-двигательного аппарата занимают второе место [1]. При
этом, в силу различной формы приобретения (врожденные, в результате
политравм, в результате осложнения других заболеваний), заболевания
опорно-двигательного аппарата поражают население всех возрастных групп,
от новорожденных, до пожилых. Наиболее распространенными
приобретенными инвалидизирующими заболеваниями опорно-двигательного
аппарата являются остеоартроз, переломы, вызванные охрупчиванием
костной ткани вследствие остеопороза, политравмы и такие системные
воспалительные заболевания, как ревматоидный артрит [2].
Ортопедия традиционно связана с разделом клинической медицины,
изучающим повреждения опорно-двигательного аппарата (костей, суставов,
мышц, связок, сухожилий), — с травматологией. Имманентно в состав
ортопедии и травматологии входят такие дисциплины, как протезирование и
имплантирование — комплексные медико-технические дисциплины на стыке
медицины и техники, занимающиеся изготовлением и применением протезов,
ортезов (корсетов, бандажей, аппаратов, специальной обуви и стелек) и
имплантатов для восстановления утраченных форм, целостности и функций
опорно-двигательной системы. Хирургическая реконструкция,
трансплантация, имплантация и медикаментозная терапия на сегодняшний
день являются ключевыми возможностями клинического лечения нарушений
функциональности и целостности, вплоть до полной потери, костных тканей
организма. Однако эти методы лечения имеют ряд недостатков и побочных
эффектов, так при трансплантации возникает риск сопутствующих инфекций,
отторжения имплантата в результате иммунной реакции организма,
заболеваемости в результате трансплантации донорских тканей, передачи
вирусных и прионных белков [3]. Имплантация искусственных материалов,
среди которых в ортопедии и травматологии наибольшее распространение
получили металлы и их сплавы, нередко приводит к отторжению имплантата
вследствие аллергических и иммунных реакций организма. Для решения этих
проблем в современной ортопедии ведется поиск новых материалов и методов
для создания имплантируемых изделий, способствующих сокращению сроков
и повышению эффективности восстановления поврежденных костных тканей.
На данный момент традиционными принято считать имплантаты на
основе титановых сплавов. Они хорошо себя зарекомендовали как с точки
зрения прочности, так и с точки зрения биосовместимости. Однако одним из
существенных недостатков является высокий модуль упругости имплантата
по отношению к модулю упругости кости, в результате чего возникает явление
ремоделирования кости, что приводит к её охрупчиванию, возникновению
локального некроза костных тканей в области прилегания имплантата,
«расшатыванию» имплантата в костном ложе и возникновению вторичных
травм. Использование металлических имплантатов зачастую требует
дополнительного операционного вмешательства для удаления из организма
после окончания выполнения своей функции, в связи с чем возникает ряд
рисков, таких как: заражение внутрибольничными инфекциями, технические
сложности при удалении имплантата в результате его интеграции в костную
ткань, миграция имплантата [4] и дополнительные финансовые расходы. При
проведении магнитно-резонансной томографии металлические имплантаты
вызывают артефакты визуализации исследуемого участка и затрудняют
отслеживание регенерации костной ткани. Также в современной медицине,
помимо металлических имплантатов, используются имплантаты на основе
инертных полимеров: полиэфирэфиркетон, сверхвысокомолекулярный
полиэтилен. Особенностью таких имплантатов является потеря формы при
длительной эксплуатации и локальное истирание, приводящее к инкапсуляции
мельчайших частиц полимера, впоследствии вызывающих некроз
окружающих тканей. Одним из новейших направлений развития лечения
нарушений целостности костной ткани стала разработка имплантатов на
основе биорезорбируемых полимеров: полилактид, поликапролактон,
полигидроксибутират, полигликолид. Наибольшее распространение
благодаря доступности и универсальности получили полимеры
синтетического и природного происхождения [5].
В последние несколько десятилетий инженерия костной ткани стала
перспективным направлением для преодоления недостатков, связанных с
традиционными методами остеосинтеза. В таком подходе используются два
основных компонента: клетки и скаффолды. Костные скаффолды – это
трёхмерные матричные каркасы, которые стимулируют прикрепление клеток
и рост костной ткани на своей поверхности. При использовании для
изготовления скаффолдов биорезорбируемых материалов в сочетании с
биокерамиками можно получить биоактивный имплантат, который в
конечном итоге способен полностью заместиться костной тканью. Для
изготовления таких имплантатов хорошо себя зарекомендовали технологии
3D печати, которые позволяют создавать сложные по структуре скаффолды с
точностью до десятков и единиц микронов [6]. Благодаря высокой точности
печати, такие скаффолды обладают способностью учитывать структурные
особенности поврежденной ткани и повторять морфологию костного дефекта.
Таким образом, 3D печать является точным и относительно дешевым методом
изготовления универсальных скаффолдов, имитирующих внеклеточный
матрикс костной ткани [7].
Целью данной работы стала разработка биоактивного
биодеградируемого композита на основе поликапролактона и
гидроксиапатита, как материала для трёхмерной печати отсеостимулирующих
скаффолдов.
Задачи:
1. Разработать методику и получить композиционные материалы на
основе PCL с высокой степенью наполнения ГАП (до 40% по весу);
2. Изготовить из полученных композитов филамент для 3D печати по
технологии FDM;
3. Изготовить трёхмерные скаффолды с использованием полученного
филамента с помощью технологии FDM;
4. Исследовать влияние массовой доли ГАП на физико-химические
свойства полимерной матрицы.
Положение, выносимое на защиту:
1. Установлено, что при изготовлении композита методом смешения
высокодисперсного порошка гидроксиапатита с раствором поликапролактона
в шаровой мельнице, частицы гидроксиапатита гомогенно распределяются в
полимерной матрице.
2. Изготовленные композиционные материалы обладают высокой
химической стабильностью на всех технологических этапах переработки.
3. Изготовленные композиционные материалы обладают высокой
термической стабильностью в диапазоне температур технологической
переработки.
1.1 Структура кости