Отчет о проведении исследований по теме «Разработка биоактивных и бактерицидных покрытий с улучшенной остеоинтеграцией и способностью подавлять инфекцию» (итоговый)

Увеличение продолжительности и качества жизни приводит к росту потребности в имплантатах для замены повреждённых участков костной ткани. На сегодняшний день в мире около 15 % людей имеют нарушения в структуре своего скелета и нуждаются в протезировании. Объем медицинского рынка только металлических имплантатов достиг 33,7 млрд. $ в 2017 году, а к 2023 году прогнозируется рост до 77 млрд. $ при среднегодовом росте в 14,7 %. Возросшие требования к имплантатам в настоящее время включают не только наличие биоактивности, но и способности противодействовать грибковой и бактериальной инфекции. В рамках проекта реализован ряд инновационных подходов к модифицированию поверхности металлических имплантатов для улучшения их остеоинтеграции с костной тканью и подавления очагов инфекции в зоне имплантации. В проекте решен комплекс новых научных задач: разработана двух-стадийная технология плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) в различных электролитах при наложении ультразвукового воздействия и использовании оригинального импульсного источника питания; получены пористые покрытия (с заданным размером пор и их равномерным распределением по поверхности образца) на основе оксида титана, легированные Ca и P, и осуществлена их последующая поверхностная модификация (ионная имплантация или поверхностная иммобилизация); выявлен вклад различных факторов (бактерицидных ионов, реактивных форм кислорода) в общую антибактериальную активность новых материалов. По результатам оптимизации процесса ПЭО установлены оптимальные технологические режимы, обеспечивающие формирование оксидного покрытия с заданной толщиной и пористостью. Установлено влияние параметров ультразвуковой обработки на содержание функциональных элементов (Ca, P, Si, B) в ПЭО TiO2 слое. Выявлено влияние методов и параметров поверхностной обработки ПЭО TiO2 слоя (обработка в связанной высокочастотной плазме, высокоэнергетическая ионная имплантация) на структуру покрытий и химический состав поверхности. Получены данные по составу, размеру и распределению наночастиц бактерицидных металлов на поверхности ПЭО TiO2 покрытий. В экспериментах in vitro исследованы биосовместимость (организация актинового скелета и фокальных адгезий, пролиферация остеобластов), биоактивность (активность щелочной фосфатазы и способность к минерализации в растворе, имитирующем внутреннюю среду организма) и антибактериальная активность по отношению к различным типам патогенных бактерий. Получены экспериментальные образцы покрытий на основе оксида титана, легированных Ca, P, Si и B, поверхностно-модифицированные функциональными группами и декорированных наночастицами бактерицидных металлов. Реализация данного фундаментального проекта имеет большое практическое значение для дальнейшей разработки костных имплантатов с высокой биоактивностью и бактерицидностью. Реализация проекта способствовала укреплению индийско-российского сотрудничества, направленного на интенсификацию передовых междисциплинарных исследований в области биоматериаловедения и биоинженерии поверхности для нужд современной медицины.