Процесс биодеградации имплантационных материалов на основе магний-кальциевого сплава для персонализированной медицины: контроль (SVET, SIET), защита

В настоящее время в сфере медицины и здравоохранения большое внимание уделяется повышению средней продолжительности жизни населения и качества оказания медицинской помощи, созданию благоприятных условий для восстановления здоровья. Травматизм является одной из наиболее частых причин временной нетрудоспособности и смертности населения. Помимо этого, ущерб от травматизма в мире исчисляется большими денежными суммами. Для лечения и восстановления целостности костной ткани в случае сложных переломов используется установка металлических имплантатов (остеофиксаторов) в виде пластин, штифтов и винтов, необходимых для фиксации костных фрагментов в определенном положении. Особое внимание в последнее время уделяется разработке временно устанавливаемых биорезорбируемых имплантатов. Такие изделия выполняют свою функцию в течение периода реабилитации, а затем растворяются в организме. Применение такого материала в имплантационной хирургии снимает необходимость проведения повторного хирургического вмешательства для извлечения имплантата после выздоровления пациента. В мире многими научными группами ведутся работы, направленные на разработку новых биоактивных и биорезорбируемых имплантатов на металлической основе. Благодаря уникальным механическим характеристикам магния и его сплавов, близким по значениям к параметрам костной ткани, Mg-содержащие изделия рассматриваются как идеальные кандидаты на роль временных биорезорбируемых имплантатов.Учитывая высокую коррозионную активность сплавов магния в различных средах, применение таких материалов в среде человеческого организма может быть ограничено преждевременным растворением временного имплантата до момента полной реабилитации пациента. Присутствие в составе магниевых сплавов различных фаз, интерметаллических включений, обладающих различной коррозионной активностью, приводит к возникновению гальванопар, поэтому данные материалы обладают низким коррозионным сопротивлением.Для снижения скорости биодеградации магниевых сплавов необходимо создание защитного слоя на их поверхности. Это возможно только в случае установления взаимосвязи между условиями формирования защитного слоя и его электрохимическими, морфологическими характеристиками. Модифицированный слой на поверхности биорезорбируемого материала защищает временный имплантат в течение фиксированного периода, предназначенного для лечения определенной травмы. Срок службы такого изделия будет зависеть от тяжести перелома и будет регулироваться технологическими особенностями нанесения защитного слоя.Учитывая, что одной из задач мировой науки является обеспечение требуемых свойств изделий, используемых в различных областях (в том числе в сфере имплантационной хирургии), данный проект направлен на разработку физико-химических основ и способов формирования на поверхности магнийсодержащих материалов биоактивных антикоррозионных покрытий с использованием метода плазменного электролитического оксидирования (ПЭО). Метод плазменного электролитического оксидирования – один из перспективных и востребованных способов нанесения оксидных слоев с широким спектром функциональных свойств. Методом ПЭО можно формировать кальций-фосфатные слои (в том числе содержащие гидроксиапатит), позволяющие достичь необходимую биосовместимость имплантата и ускорить остеогенез. Сформированные методом ПЭО биоактивные коррозионностойкие покрытия, будут ограничивать доступ коррозионноактивной среды к материалу, с одной стороны, и ускорять рост костной ткани, с другой. Присутствие в составе ПЭО-слоя такого биоактивного компонента как гидроксиаппатит будет способствовать росту костной ткани и улучшению биосовместимость имплатационного материала в организме человека. Актуальность данного проекта обусловлена необходимостью разработки способов формирования на поверхности магниевых сплавов антикоррозионных биоактивных покрытий, позволяющих сохранить механическую прочность и целостность имплантата в течение времени, необходимого для срастания кости и восстановления ее функций, и способствующих процессам остеогенеза, протекающим в период реабилитации.В настоящее время особый интерес представляют магниевые сплавы, принадлежащие к системе Mg-Ca. Благодаря присутствию данных элементов в организме человека (кальций является основным элементом костной ткани, магний является составной частью абсолютно всех тканей и клеток организма человека) кальцийсодержащие магниевые сплавы обладают высокой биосовместимостью и являются перспективными для использования в имплантационной хирургии в качестве биорезорбируемого материала. В данной работе объектом исследования будут выступать биорезорбируемые кальцийсодержащие магниевые сплавы.Разработка новых материалов, представляющих собой антикоррозионные биоактивные слои, полученные методом ПЭО, позволит существенным образом расширить область практического применения материалов на основе магния и сделает их реальными для использования в имплантационной хирургии. Таким образом, в ходе реализации проекта будут разработаны биоактивные защитные покрытия на поверхности биорезорбируемых кальцийсодержащих сплавов магния.Стоит отметить, что направленное формирование биоактивных антикоррозионных покрытий на поверхности биорезорбируемого магнийсодержащего материала для имплантационной хирургии возможно лишь при тщательном изучении новыми локальными (Scanning Vibrating Electrode Technique (SVET), Scanning Ion-Selective Electrode Technique (SIET)) и традиционными электрохимическими методами: 1) характера и особенностей электрохимических процессов, протекающих на поверхности материалов на основе магния; 2) механизма биорезорбции материалов в условиях in vitro; 3) влияния продуктов коррозии, образующихся на поверхности, на скорость биорезорбции имплантационного материала; 4) влияния формируемых поверхностных слоев на интенсивность и механизм коррозионного процесса. Таким образом, предлагаемые подходы позволят разработать способы направленного формирования на магнийсодержащих материалах биоактивных покрытий, обеспечивающих необходимую скорость биорезорбции имплантационного материала в среде организма, а также ускоряющих остеогенез.Предлагаемые подходы в области формирования и исследования электрохимических свойств оксидных структур не уступают мировому уровню, а в применении к исследованию гетероструктур, сформированных на биорезорбируемых магнийсодержащих материалах методом плазменного электролитического оксидирования, являются новаторскими.Научная новизна предлагаемых подходов заключается в установлении и научном обосновании взаимосвязи между условиями формирования, составом и электрохимическими свойствами поверхностных слоёв на кальцийсодержащих сплавах магния, перспективных для использования в имплантационной хирургии. Впервые с использованием локальных сканирующих электрохимических методов исследования поверхности (SVET, SIET) в сочетании с традиционными методами оценки скорости коррозии будет изучена гетерогенность поверхностных слоев магнийсодержащих материалов (в том числе обработанных методом ПЭО), а также стадийность и механизм биорезорбции в условиях in vitro. Решение задач данного проекта позволит выработать рекомендации, технологические решения и технические требования по реализации новых методов формирования биоактивных покрытий на поверхности имплантационных материалов для внедрения технологии в реальный сектор экономики.