Разработка научных основ регулирования биокоррозии нитинола и биодеградации магниевых сплавов путем варьирования состава и структуры оксидных наноламинатов, синтезированных методом атомно-слоевого осаждения (заключительный, этап 2)

На данном этапе выполнения работ по проекту были поставлены и решены следующие задачи: 1) Разработка методики синтеза покрытий сложных оксидных систем состава Al2O3-TiO2 (ATO) и ZnO-TiO2 (ZTO) методом атомно-слоевого осаждения (АСО) на поверхности магниевого сплава AZ31 или близких аналогов. 2) Исследование влияние физико-химических характеристик покрытий (состав, толщина, структура) на скорость коррозии магниевого сплава AZ31 или близких аналогов в биологических средах или имитирующих их. 3) Исследование биосовместимости разработанных покрытий и влияние их морфологии, структуры, состава и смачиваемости на цитологический отклик (адгезия, морфология, цитотоксичность и дифференцировка) преостеобластов линии MG-63 и мезинхимальных стволовых клеток линии FetMSC. 4) Оценка антибактериальных свойств, полученных покрытий оксидных систем TiO2-Al2O3, TiO2-ZnO, с использованием штаммов бактерий, обладающих множественной лекарственной устойчивостью и являющимися опасными внутрибольничными патогенами: Staphylococcus aureus, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa 5) Комплексный анализ антибактериальных свойств и биосовместимости полученных покрытий. Составление рекомендаций по дальнейшему исследованию и применению разработанных методик синтеза сложных оксидных систем методом АСО для создания покрытий совмещающих высокую биосовместимость с клетками костной ткани и антибактериальными свойствами. В качестве исходного материала для проведения исследований использовался аналог зарубежного биомедицинского магниевого сплава AZ31 - российский сплав МА2-1пч, содержащий около 1% цинка, 5% алюминия и более 94% магния. Так как при выполнении работ предыдущего этапа было показано, что покрытия системы ZTO, полученные методом АСО с использованием тетрахлорида титана, содержат значительное количество хлора, на данном этапе была разработана методика синтеза покрытий ZTO и ATO с использованием альтернативного реагента - тетраизопропоксида титана (TTIP). Синтез нанопокрытий сложных оксидных систем ZTO и ATO осуществляли при помощи подхода суперциклов. Были синтезированы оксидные системы ZTO в широком диапазоне состава суперциклов (соотношения ZnO/TiO2) от 1/20 до 5/1. Сложные оксидные покрытия системы ATO толщиной около 40 нм были синтезированы с использованием TTIP, триметилалюминия (TMA) и воды. Детальный анализ скоростей роста (прироста за цикл АСО) был проведен на основании данных спектральной эллипсометрии. Характеристики и особенности роста покрытий были схожи с теми, которые наблюдались при использовании TiCl4 в качестве титансодержащего реагента. Исследование толщины, состава и морфологии простых оксидных покрытий (ZnO, Al2O3, TiO2), а также сложных оксидных систем (ZTO, ATO) методами СЭМ, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, РФЭС, метода лежачей капли, а также биокоррозии образцов в физиологическом растворе Рингера показало наличие взаимосвязи между этими характеристиками. Состав покрытий играл решающую роль в замедлении биокоррозии магниевого сплава МА2-1пч. В частности образцы с покрытиями ATO показали наибольший эффект по снижению биокоррозии как по результатам электрохимических испытаний, так и по результатам измерения потери массы образцов при длительной выдержке в растворе Рингера. При этом, по данным электрохимических измерений снижение скорости коррозии было зафиксировано для всех типов покрытий кроме покрытий TiO2, полученных с использованием TiCl4. При этом аналогичные образцы, полученные с использованием TTIP, показали относительно высокую антикоррозионную эффективность. Исследование биосовместимости полученных покрытий ZnO, Al2O3, TiO2, ZTO и ATO проводилась с использованием остеобластоподобных клеток линии MG-63 и мезенхимальных стволовых клеток линии FetMSC. Результаты показали значительное влияние состава покрытий на адгезию и распластывание клеток MG-63 и менее выраженное для FetMSC. Образцы, содержащие цинк, т.е. ZnO и ZTO, а также TiO2, полученные с использованием TiCl4, оказывают цитотоксическое действие как на клетки MG-63, так и на FetMSC. Жизнеспособность клеток MG-63 на поверхности образцов непокрытого магниевого сплава, АTO и Al2O3, а также TiO2, полученного с использованием ТТIP сравнима с контрольным образцом, что свидетельствует об отсутствии цитотоксичности. Результаты исследования дифференцировки обоих типов клеток с использованием маркера ЩФ находятся в хорошем соответствии с данными по цитотоксичности. При этом сравнительный анализ полученных данных показывает, что образцы серии ATO и Al2O3 стимулируют дифференцировку в остеогенном направлении и оказывают положительное влияние на динамику этого процесса. Оценка антибактериальных свойств, полученных покрытий проводилась с использованием штаммов бактерий, обладающих множественной лекарственной устойчивостью и являющимися опасными внутрибольничными патогенами: Staphylococcus aureus, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa. Результаты показали, что большинство полученных покрытий оказывают бактерицидное воздействие на исследуемые внутрибольничные патогены. При этом значительную роль играет как содержание цинка, так и присутствие хлора в случае образцов ZTO, полученных с использованием TiCl4. Однако для получения надежных результатов необходимо провести дополнительные исследования для накопления статистики и учета дополнительных факторов, таких как светочувствительность покрытий на основе оксидов титана и цинка. По результатам проведенных исследований была опубликована обзорная статья по антибактериальным покрытиям, полученным методом в АСО, в журнале «Antibiotics» IF=4.8 Q1 (https://www.mdpi.com/2079-6382/12/12/1656) и подготовлена статья с рабочим названием Atomic layer deposition of biocompatible multifunctional zinc-titanium oxide nanocoatings on the surface of additively manufactured nitinol. На момент подготовки отчета статья находится на рассмотрении у рецензентов журнала Applied surface science (IF=6.7 Q1). С препринтом статьи можно ознакомиться по адресу http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4816812.