Разработка биорезорбируемых композиционных материалов и технологии их получения

Актуальность работы:
В настоящее время в ортопедии и травматологии используются, главным
образом, имплантаты на основе металлов, сплавов, а также биоинертная керамика.
Однако имеются области регенеративной медицины, где незаменимой является
кальциево-фосфатная керамика и изделия на ее основе. При этом невысокая
прочность кальциево-фосфатной керамики не позволяет ее использовать в качестве
объемных элементов способных нести поддерживающую функцию, поэтому
кальций-фосфатная керамика находит широкое применение в качестве покрытий
на металлические имплантаты, снижая риск отторжения в первые периоды
приживания.
Обширные дефекты костей (например, при онкологии) требуют
использования имплантатов со сложной геометрией, что остается трудно решаемой
задачей. Отсутствие полной геометрической конгруэнтности имплантата с
окружающими тканями приводит к локальному отторжению эндопротеза в зонах с
недостаточной интеграцией, к объёмным образованиям фиброзной ткани. Задача
соответствия имплантата форме дефекта может быть решена совместным
использованием данных рентгеновской томографии, моделирования архитектуры
имплантата и его 3D-печати. Такой подход открывает перспективы создания
индивидуальных имплантатов любой формы.
Для создания биорезорбируемых материалов для имплантатов подходящими
являются термопластичные полимеры карбоновых кислот, благодаря чему они
широко применяются в восстановительной медицине для лечения переломов, в том
числе заменяя металлические штифты. В то же время, имеются данные, что изделия
из биополимеров приводят к неполной деградации. Другим недостатком
полимеров карбоновых кислот является снижение рН биологических жидкостей,
омывающих имплантат, что наряду с другими факторами способствует развитию
асептического воспаления и образованию капсулы из соединительной ткани между
имплантатом и костью. Возникает микроподвижность имплантата и неизбежное
его удаление.
Ослабление отрицательного влияния полимера может быть достигнуто путем
сочетания в одном композите биополимера и фосфатов кальция. Применение
кальций-фосфатных компонентов в композите обеспечит высокую
биосовместимость и остеоинтеграционный потенциал. Такие композиты, как
ожидается, должны контролируемо замещаться костной тканью с последующим
зарастанием дефекта кости. Увеличение доли кальциево-фосфатного
керамического компонента в композите должно нормализовать pH прикостных
жидкостей и уменьшить влияние растворения полимера с образованием новой
кости. Использование термопластичных полимеров открывает возможность
применения 3D-печати и получения имплантатов любой формы.
Настоящее исследование, посвященное разработке композиционных
материалов, обладающих вышеперечисленными свойствами, является актуальным.
Диссертационная работа выполнялась при поддержке гранта РФФИ по теме
«Физико-химические основы создания биоактивных композиционных материалов
с повышенной прочностью для имплантатов кости» (№ 19-33-90188), а также
грантом «УМНИК» по теме «Разработка составов биорезорбируемых чернил для
3D-печати костных имплантатов» (11848ГУ/2017).
Степень разработанности темы исследования:
Исследования в области биокомпозитов, содержащих фосфаты кальция с
применением аддитивных технологий, проводятся научными группами: Томского
политехнического университета (Твердохлебов С.И., Больбасов Е.Н. и др.) –
композиты для 3D-печати на основе полилактида, поликапролактам и др. и
гидроксиапатита; Томского государственного университета (Курзина И.А.
Лыткина Д.Н., Васенина И.В.) – биокомпозиты, содержащие полилактид и
гидроксиапатиты, в том числе ион-модифицированные; Технологический
университет “МИСиС” (Сенатов Ф.С., Задорожный М.Ю.) – биокомпозиты с
различными полимерами и гидроксиапатитом; Университет Сан-Паулу (Д.К.
Соуза, Э.Л. Вахиа де Абреу, Л.Э. Каталани) – биокомпозиты на основе
октакальциевых фосфатов и полилактида с применением 3D-печати; Аньхойский
университет Сан-Лянь (В. Ян, К. Я. Чжан) – биокомпозиты из полилактида и
наноразмерного гидроксиапатита; Московский государственный университет им.
М.В. Ломоносова (Путляев В.И., Сафронова Т.В. и др.) – биокомпозиты для
стереолитографической 3D-печати, биоинспирированные имплантаты,
исследование их структуры и свойств; Омский государственный университет им.
Ф.М. Достоевского (Голованова О.А. и др.) – получение биокомпозитов на основе
ортофосфатов кальция в присутствии органических и неорганических агентов.
Системных исследований по высоконаполненным органоминеральным
биокомпозитам, пригодным для получения изделий сложной формы, нет.
Цель и задачи работы
Целью работы является разработка биорезорбируемых композиционных
материалов на основе фосфатов кальция и полилактида, пригодных для 3D-печати
и технологии получения изделий из них по методу FDM.
В соответствии с целью работы в диссертации решаются следующие задачи:
1. Исследование условий получения фосфатов кальция, пригодных для
создания композиционного материала.
2. Разработка составов композитов и исследование влияния составов на
их физико-химические свойства.
3. Исследование физико-химических процессов, происходящих при
нагревании композитов.
4. Исследование режимов 3D-печати композитов. Определение
механических свойств образцов, полученных при различных режимах 3D-печати.
5. Исследование основных биологических свойств полученных
композитов: биорезорбции, биоактивности и биосовместимости.
Научная новизна
1. Установлено, что осаждение из водных растворов кальций- и
фосфатсодержащих солей позволяет получать смесь высокодисперсных фосфатов
кальция (ВФК), состоящую из гидроксиапатита, карбонатзамещенного и
аморфного гидроксиапатита, фосфата кальция, характеризующуюся средним
отношением Ca/P = 1,60-1,62, средним размером частиц до 100 нм и удельной
поверхностью 50-60м2/г. Эти характеристики достигаются при следующих
условиях синтеза: смешение исходных компонентов в турбулентном режиме,
температура синтеза 100 оС, выдерживание осадка в маточном растворе не менее
14 дней, поддержание значения pH в течение всего процесса на уровне 9.
2. Установлено, что добавки глицерина и сорбитола суммарной
концентрации от 1,5 до 7,5 % мас. обеспечивают гомогенное распределение смеси
высокодисперсных фосфатов кальция (ВФК) в полилактиде и позволяют получить
композиционные материалы с содержанием ВФК до 70 % мас., превосходящие
аналоги по совокупности механических свойств. При этом содержание ВФК в
композите от 50 до 70% обеспечивает достижение показателей предела прочности
при сжатии 50-61 МПа, при изгибе 32-43 МПа, ударной вязкости 4,5-5,9 кДж/м2,
числа циклов нагружения 4200-4800, что сопоставимо с характеристиками
натуральной губчатой кости.
3. Установлено, что нагревание композитов на основе ВФК и полилактида в
процессе 3D-печати сопровождается стеклованием и конденсацией лактида в
диапазоне температур от 60 до 160 оС, а также полиморфным переходом
гидроксиапатита из моноклинной в гексагональную модификацию в диапазоне 200
– 230 оС. Эти процессы обусловливают переход от линейной к пространственной
структуре полимера, возникновение водородной связи между гидроксильными
группами гидроксипатита и карбоксильными группами полилактида и
обеспечивают высокие механические характеристики композитов.
Практическая значимость работы
Разработаны составы композиционных материалов на основе полилактида с
содержанием смеси высокодисперсных фосфатов кальция от 10 до 60% с
добавками глицерина и сорбитола в суммарной концентрации от 1,5 и до 7,5%,
отличающиеся более высокими показателями механической прочности по
сравнению с известными: предел прочности при сжатии от 50 до 61 МПа, предел
прочности при изгибе от 32 до 43 МПа, ударная вязкость от 4,5 до 5,7 кДж/м2, число
циклов нагружения от 4200 до 4800. По совокупности биологически значимых
свойств: смачиваемости физиологическими растворами, низкому показателю
цитотоксичности, биоактивности in vitro и остеогенному потенциалу in vivo –
разработанные композиты рекомендованы для применения в регенеративной
медицине для замещения костных дефектов.
Разработаны технологические основы получения изделий из разработанных
композиционных биоматериалов заданной архитектуры и формы с комплексом
заданных функциональных свойств, включающие блок 3D-печати.
Новые результаты защищены патентами RU2679127C1 «Композит для 3d-
печати медицинских изделий», RU2679632C1 «Композит для 3d-печати
медицинских изделий».
Теоретическая значимость диссертационной работы состоит в получении
новых данных по синтезу фосфатов кальция требуемого состава и степени
дисперсности. В развитии представлений в области получения органоминеральных
композиционных материалов, предназначенных для применения в
восстановительной медицине. В создании научных основ технологии получения
композитов на основе высокодисперсных фосфатов кальция и полилактида с
применением 3D-печати.
Положения, выносимые на защиту
• Положение об условиях получения комплекса фосфатов кальция,
обладающих функциональной совокупностью структурно-фазовых, химических и
дисперсных характеристик: отношением Ca/P=1,60-1,62, со средним размером
частиц до 100 нм, удельной поверхностью 50-60м2/г; включающих температуру
реакции равную 100±5 оС, турбулентный режим смешивания, поддержание рН на
уровне 9,0±0,3.
• Положение о формировании составов, определяющих функциональные
и технологические свойства композиционных материалов, а именно: комплекса высокодисперсных фосфатов кальция от 10 до 70%, диспергаторов-
пластификаторов глицерина и сорбитола суммарной концентрацией от 1,5 до 7,5%,
что обеспечивает достижение целевых показателей механической прочности и
биологически значимых свойств.
• Положение о граничных условиях перехода от линейной к
пространственной структуре полимера и возникновения химических связей между
органическим и минеральным компонентом композита в процессе 3D-печати в
диапазоне температур 200-230 оС.
Методология и методы исследования.
Объектами исследования являются композиционные материалы на основе
фосфатов кальция и полилактида.
Предметом исследования являются процессы получения
высокодисперсных фосфатов кальция и композиционных материалов на их основе
с применением термопластичного полимера полилактида.
Научная гипотеза работы состоит в следующем. Целевые
функциональные свойства композиционного материала определяются его
компонентным составом, структурой на молекулярном, микро- и макроуровнях, а
также технологическими характеристиками исходных компонентов.
Регулирование биологически значимых свойств композита обеспечивается
совокупностью структурно-фазовых, химических и дисперсных характеристик
минеральной фазы, представленной фосфатами кальция.
Основными методами исследования в работе являются методы синхронного
термического анализа и электронной микроскопии, рентгеноструктурного,
дисперсного анализа и ИК-спектроскопии. Методы испытания основных
биологических свойств и определения механических характеристик материалов
основаны на требованиях ГОСТ.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в
диссертационной работе, обеспечивается использованием современных
высокоинформативных методов исследования в аттестованных лабораториях на
сертифицированном оборудовании; с использованием современных стандартных
методик, приборов и технических средств; достаточным для статистической
оценки количеством образцов и проведенных измерений.
Апробация
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих
научных мероприятиях (конференциях и симпозиумах): «Молодежь, наука,
технологии: идеи и перспективы», Томск, Россия 2017г.; «Современные техника и
технологии», Томск, Россия, 2017г.; XIV «Перспективы развития
фундаментальных наук», Томск, Россия, 2017г., 2018г., 2019г.; «Ломоносов-2017,
2018», Москва, Россия, 2017г., 2018г.; «Химия и химическая технология в XXI
веке» Томск, Россия 2017-2020г.; «Функциональные материалы: разработка,
исследование, применение», Томск-Тамбов, Россия, 2017г.; конкурс Научно-
технического творчества молодежи НТТМ-2017, Москва, Россия 2017г.;
«Всероссийский инженерный конкурс», Москва, Россия, 2017г.; Всероссийский
нанотехнологический инженерный конкурс для студентов и аспирантов, Москва,
Россия, 2017г.; «Высокие технологии в современной науке и технике» Томск,
Россия, 2017г.; “Новые технологии создания и применения биокерамики в
восстановительной медицине”, Томск, Россия, 2016г.; «Биоматериалы в медицине»
Москва, Россия, 2017г.; Macro- and Supramolecular Architectures and Materials:
Multifunctional Materials and Structures (MAM-17), Москва, Россия, 2017г.;
«Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически
организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии»,
Томск, Россия, 2019 – 2021г.; Международный симпозиум имени академика М.А.
Усова студентов и молодых ученых, Томск, Россия, 2017 – 2020г.
Получено 2 акта об апробации результатов работы.
Личный вклад
Автором сформулирована научная гипотеза диссертационной работы,
выбраны методы для проведения исследований. Принято участие в постановке
цели и задач исследования. Автором проведены все экспериментальные
исследования с применением инструментальных методов, получены фосфаты
кальция и композиционные материалы, проведены эксперименты in situ и in vitro.
Разработаны технологические основы изготовления изделий из разработанных
композитов с применением 3D-печати. Проведены расчетные и
экспериментальные исследования, результаты которых интерпретированы и
подготовлены к публикации. Анализ полученных результатов и формулирование
выводов проводились совместно с научным руководителем. При публикации
результатов диссертационной работы вклад соавторов не превышал 30%. По
результатам проведенных работ автором предложена новая технология получения
композитов, содержащих высокодисперсные фосфаты кальция и полилактид, с
применением 3D-печати для создания имплантатов сложной формы.
Публикации
Результаты работы представлены в 28 публикациях, из которых 1 статья в
журнале, рекомендованном ВАК, 2 статьи в журналах и 6 трудов конференций в
изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science. В рамках выполнения работы
получено 2 патента.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованных
литературных источников. Общий объем работы составляет 145 страницы,
включая 41 рисунок, 21 таблицу, 253 библиографических источника.