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 16-15-00176

НазваниеУстановление закономерностей остеоинтеграции медицинских имплантатов на основе аддитивного производства с биоактивным покрытием

РуководительПопков Арнольд Васильевич, Доктор медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова" Министерства здравоохранения Российской Федерации, Курганская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-703 - Аддитивные технологии в медицине

Ключевые словарепаративная регенерация, наноструктурированные и деградируемые имплантаты, комбинированный остеосинтез, аддитивные технологии производства имплантатов, регенеративная медицина

Код ГРНТИ76.29.46

СтатусЗакрыт досрочно

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема травматизма и заболеваний костно-мышечной системы представляет собой одну из приоритетных в здравоохранении вследствие высокого уровня инвалидности и смертности. Ежегодно в Российской Федерации свыше 13 миллионов человек получают травмы, среди которых 20-25% - с политравмой, летальность и стойкая потеря трудоспособности при которой достигает 30%. В Российской Федерации последствия травм среди причин первичной инвалидности, у граждан трудоспособного возраста выходят на первое место, имея при этом в последние годы тенденцию к устойчивому росту. Огромны масштабы заболеваемости костно-мышечной системы: среди детей ежегодно регистрируется 219 случаев с врожденными заболеваниями костно-мышечной системы (КМС) на 10000 новорожденных. Одним из наиболее востребованных способов лечения переломов и посттравматических осложнений является остеосинтез – операция соединения отломков костей с помощью специальных накостных и внутрикостных имплантатов, выполненных из металлов, призванные замещать в живом организме утраченные естественные ткани. По активности влияния на репаративный процесс все металлы, из которых производят современные имплантаты относятся к биотолерантным (нержавеющая сталь и кобальто-хромовые сплавы) или биоинертным (оксиды титана и алюминия) материалам. Биоактивных металлов, которые бы ускоряли репаративный остеогенез, современная медицина не знает. Это одна из причин, почему сроки консолидации переломов за последние 100 лет не изменились. Из всех синтетических материалов, которые можно использовать для имплантации, наиболее перспективным является биоматериал на основе фосфатов кальция. Среди них гидроксиапатит не только биосовместим, но и наиболее биоактивен (особенно, если присутствует, как и в кости, в виде наноразмерных кристаллов). Однако основным недостатком такого имплантата является его хрупкость, поэтому предлагается создание новых композитных имплантатов для погружного остеосинтеза из биомеханически совместимых титановых сплавов, выполненных методом аддитивной технологии с последующим нанесением биоинспирированного покрытия из гидроксиапатита, что позволит, проведя фундаментальные исследования особенностей репаративной регенерации кости и остеоиндукции, создать принципиально новую математическую модель формирования костного матрикса на имплантате из ультрамелкозернистых низкомодульных биомеханически совместимых титановых сплавов. Формирование имплантата по 3D технологии обеспечит индивидуальную для больного размеры и форму замещающего участка кости, необходимое количество каналов, порозность и шероховатость, что исключит дегенеративные процессы в костной ткани, контактирующей с имплантатом, а градиентное по составу, структуре и морфологии кальций-фосфатное покрытие обеспечит активацию эндогенных стволовых клеток (мезенхимальных остеогенных клеток) и ускорение репаративных процессов. Таким образом новые имплантаты будут обладать близкими к кости механическими свойствами и высокой биоактивностью, что позволит сократить в несколько раз сроки остеосинтеза с гарантированным реабилитационным эффектом.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты и их значимость (указываются ожидаемые результаты и их научная и общественная значимость (оценка соответствия запланированных результатов мировому уровню исследований, возможность практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере, вклад в решение конкретных задач и ключевых проблем научного приоритета, указанного в заявке)) на русском языке Фундаментальные научные исследования особенностей формирования костной ткани на биоактивной поверхности имплантата на тканевом, клеточном и субклеточном уровне позволят впервые сформулировать математическую модель репаративной регенерации, опираясь на объективные показатели плотности кости (денситометрия), оценки транспорта ГА с различной массой частиц субмикронных размеров и их концентрации на поверхности коллагеновой матрицы. Эти данные позволят сформулировать принципиально новый подход в лечении системных заболеваний скелета (несовершенный остеогенез, фосфат-диабет, болезнь Олье и др. остеодисплазии). Будут разработаны промышленные технологии, когда кость замещающие материалы/изделия по результатам томографии изготавливаются селективным лазерным спеканием (СЛС) требуемой формы и с заданной архитектоникой. Для увеличения биоактивности СЛС материала на их поверхность методом аэродинамического формования в турбулентном газовом потоке наносится полимерный композитный слой на основе биодеградирумого полимера и наночастиц гидроксиапатита (ГА) или других кальций-фосфатных соединений. Аддитивные технологии производства имплантатов имеют следующие преимущества: - обеспечивают оптимальную для интенсивного остеогенеза и остеоинтеграции пористость поверхности, параметры которой рекомендованы в работе B.M. Isaacson, S. Jeyapalina [Osseointegration: a review of the fundamentals for assuring cementless skeletal fixation. Orthopedic Research and reviews 2014:6. pp.55-65.]; - позволяют создавать имплантаты со сложной геометрией, позволяющей выполнить аналог дефектной кости любой формы и размера, обеспечить плотное прилегание и сохранение остеогенного содержимого интрамедуллярного канала кости; - позволяют формировать внутри имплантата каналы произвольной формы для внутренней доставки лекарств и допускают формирование тонкостенных элементов; - позволяют формировать резьбу с любым профилем и любым количеством ниток, в том числе с переменным диаметром и шагом; - Создание имплантатов для погружного остеосинтеза из биологически совместимых титановых сплавов методом аддитивной технологии с последующим нанесением биоинспирированного покрытия позволит принципиально повысить эффективность лечения переломов и посттравматических осложнений при остеосинтезе и остеоинтеграции. Таким образом возможно решение проблем внутреннего рынка медицинских изделий, проблем импортозамещения не просто в расширении производства аналогов, а в разработке в России имплантатов, которые бы не только соответствовали зарубежным аналогам по качеству исполнения, но имели преимущества в виде повышения биологической активности вокруг имплантата для сокращения сроков лечения.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Разработан уникальный подход к технологии протезирования и восстановления функций конечностей на основе создания нового способа остеоинтеграции кастомизированных имплантатов с компрессионной нагрузкой и системы для его осуществления (заявка на изобретение №2016108411 от 09.03.2016). Система для реализации нового способа остеоинтеграции представляет собой комплекс медицинских изделий, включающий кастомизированный имплантат, абатмент протеза и аппарат внешней фиксации с устройством компрессионного нагружения на кость. Создана концепция дизайна кастомизированных имплантатов с двумя типами погружной части со сплошной и сетчатой структурой материала и опорно-антисептическим пояском, реализация которой возможна только методом селективного лазерного сплавления (заявка на полезную модель №2016138246 от 26.09.2016). Впервые в мировой практике в имплантатах с помощью метода аддитивной технологии реализован внутренний канал для периодического подвода лекарственных средств. Конструкция имплантатов обеспечивает соединение со специальным аппаратом внешней фиксации и устройством компрессионного нагружения для исключения микроподвижности и интенсификации остеогенеза в ранний послеоперационный период. Реализована компьютерная технология проектирования трехмерных моделей инновационных кастомизированных имплантатов на основе томографии интрамедуллярного канала (http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10527-016-9639-6). Отработаны режимы аддитивной технологии горизонтального и вертикального лазерного сплавления внутрикостных имплантатов различных типоразмеров и специальных образцов для исследования топографии и физико-механических свойств на установке EOSINT-280 из особо чистого порошка Ti6Al4V. Установлено, что аддитивная технология производства имплантатов со сплошной структурой сплавленного материала обеспечивает: - достаточный запас прочности на растяжение; - комфортные условия для биомеханической системы при изменении температуры окружающей среды в диапазоне 25 °С…120 °С; - оптимальную для интенсивного остеосинтеза и последующей остеоинтеграции шероховатость поверхности; - создание присоединительных поверхностей сложной формы для быстросменных абатментов и аппаратов внешней фиксации. Проведено исследование специальных образцов сплавленного материала с сетчатой структурой на сжатие и определено, что погружная часть имплантата по прочностным свойствам должна иметь комбинированную архитектуру со сплошной сердцевиной и сетчатой наружной поверхностью (http://conf.tofm-urfu.ru/archive/2016). Клинические и морфологические данные, полученные при исследовании остеоинтеграции кастомизированных имплантатов в голень 9-ти кроликов, свидетельствуют об эффективности внутреннего канала в имплантатах, что связано с минимизацией послеоперационных осложнений и ростом костного регенерата в зонах расположения отверстий, подводящих антисептические средства на интерфейс «кость–имплантат» от канала. Выявлено, что в ранний послеоперационный период (21 сутки) преимущественно происходило формирование трабекулярной кости среднеячеистой структуры ретикулофиброзного строения с адгезией в заходно-режущей части имплантата. Установлена незначительная резорбция в области дистальной части имплантата, которая объясняется плотным контактом в упорной прямоугольной резьбе. Определены пути оптимизации резьбовой поверхности погружной части первого типа. Через 20 дней после операции у двух собак восстановилась функция опорной конечности. Выявлено, что для удобства подвода лекарственных средств при использовании аппарата внешней фиксации с абатментом и устройством компрессионного нагружения необходимо оптимизировать положение входного отверстия, ведущего к внутреннему каналу имплантата. В конструкциях имплантатов для собак проведена оптимизация наружной части с изменением положения входного отверстия канала, что позволяет вводить лекарственные средства без снятия абатмента с аппаратом внешней фиксации. Проведенные морфологические исследования остеоинтеграции у кроликов показали, что нанесенные на имплантаты микродуговым оксидированием кальций-фосфатные покрытия не оказали существенного влияния на процесс остеоинтеграции и повышение защитного барьера от воспалений мягких тканей. Определено, что эффективность повышения защитного барьера необходимо обеспечить путем нанесения новых антимикробных и алмазоподобных покрытий на имплантат. Предварительный опыт управления компрессионной нагрузкой на кость выявил необходимость разработки математической конечно-элементной модели «культя кости–имплантат», что позволит уменьшить количество подопытных животных при дальнейших исследованиях. Модернизирован специальный стенд для исследований прочностных свойств костной биомеханической системы «имплантат–трубчатая кость» с аппаратом внешней фиксации.

 

Публикации

1. Горбач Е.Н., Еманов А.А., Овчинников Е.Н., Кузнецов В.П., Фефелов А.С., Горгоц В.Г., Борзунов Д.Ю., Губин А.В. Остеоинтеграция инновационных кастомизированных имплантатов в трубчатой кости (экспериментальное исследование) Современные технологии в медицине, - (год публикации - 2017)

2. Губин А.В., Кузнецов В.П., Борзунов Д.Ю., Корюков А.А., Резник А.В. Challenges and Perspectives in the Use of Additive Technologies for Making Customized implants for Traumatology and Orthopedics Biomedical Engineering, No.4, Vol.50, pp.285-289 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1007/s10527-016-9639-6

3. Губин А.В., Кузнецов В.П., Борзунов Д.Ю., Корюков А.А., Резник А.В., Чевардин А.Ю. Проблемы и перспективы применения аддитивных технологий при изготовлении кастомизированных имплантатов для травматологии и ортопедии Медицинская техника, №4, с. 52-55 (год публикации - 2016)

4. Корюков А.А., Губин А.В., Кузнецов В.П., Борзунов Д.Ю., Антипов А.В., Овчинников Е.Н., Резник А.В., Еманов А.А., Владимирова О.Н. Возможности улучшения функции и косметики культей пальцев кисти методом оссеоинтеграции Гений ортопедии, №4, с.22-28 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.18019/1028-4427-2016-4-22-28

5. Кузнецов В.П., Степанов С.И., Ильиных М.В., Скоробогатов А.С., Жиляков А.Ю., Потапенко Е.В. Механические свойства высокопористого титанового сплава для костных имплантатов Уральская школа молодых материаловедов: сборник материалов XVII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов – молодых ученых, Ч.2. с.217-221 (год публикации - 2016)

6. Кузнецов В.П., Губин А.В., Борзунов Д.Ю., Аникеев А.В., Горгоц В.Г., Резник А.В., Еманов А.А., Корюков А.А. Способ остеоинтеграции имплантата с компрессионной нагрузкой на протезируемую кость и система для его осуществления -, Заявка №2016108411, от 09.03.2016г. (год публикации - )

7. Кузнецов В.П., Губин А.В., Еманов А.А., Аникеев А.В., Горгоц В.Г., Резник А.В., Борзунов Д.Ю., Овчинников Е.Н. Имплантат культи трубчатой кости -, Заявка №2016138246от 28.09.2016г. (год публикации - )