Разработка новых аддитивно-синтезированных сплавов с управляемым модулем Юнга и наноструктурным биоактивным покрытием для замещения костных дефектов

Проблема расшатывания металлических имплантатов на основе титана и его сплавов и резорбции здоровой костной ткани является актуальной. Она связана с существенными отличиями модуля Юнга и жесткости костной ткани и имплантированного изделия. Научная новизна проекта определяется выбором объектов и методов исследования, а также новизной ожидаемых результатов. Разработка и получение новых материалов, обладающих низким значением модуля упругости, аддитивными технологиями будет вестись по нескольким направлениям: (1) Разработка новых сплавов для улучшения эксплуатационных характеристик изделий. (2) Разработка новых топологически организационных структур метаматериалов и изучение возможностей их аддитивного производства. (3) Создание функционально-градиентной формы и размеров подобных утраченному участку кости. В качестве объектов исследования предлагаются методы и подходы создания мультифункциональных мета-материалов с управляемой топологией; теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей механического поведения от характерных особенностей их пространственной организации. Данный проект направлен на разработку научных основ получения новых типов металлических мета-биоматериалов с топологией трижды периодических поверхностей минимальной энергии на основе сплавов титана ВТ6 и бэта-сплава Ti-Nb, что позволит контролировать модуль Юнга и жесткость имплантата. Значимость и научная новизна с практической точки зрения заключаются в отработке новых аддитивных способов, с использованием электронно-лучевого плавления, получения многофункциональных имплантатов нового поколения, которые обладают заранее заданными физико-механическими свойствами и повышенной механической стабильностью при близких механических свойствах к свойствам костной ткани, что позволит избежать возникновение эффекта расшатывания имплантатов. В настоящее время в клинической практике в России скэффолды востребованы, однако до сих пор не разработаны способы их получения с использованием аддитивных технологий, что определяет новизну и актуальность данного проекта. В рамках проекта планируется также разработать фундаментальные основы новых способов детерминированного наноструктурирования поверхностных свойств разработанных скэффолдов, что позволит повысить биоактивность их поверхности. Биоактивная поверхность сплавов, достигнутая с помощью ВЧ-магнетронного осаждения наноструктурных покрытий на основе нестехиометрического модифицированного гидроксиапатита, содержащего определенное количество Sr и/или Mg (Ca10-xSrx(PO4)6(OH)2, Ca10-xMgx(PO4)6(OH)2, Ca10-x-yMgxSry(PO4)6(OH)2 (0<(x,y)<10)), позволит целенаправленно влиять и управлять механизмами остеоинтеграции скэффолдов с различной структурой, т.е. способствовать образованию прочной связи между имплантатом и костью. Фундаментальная научная задача с перспективой практического использования, которая является целью настоящего проекта, заключается в исследовании закономерностей структурно-фазовых превращений и механизмов формирования наноструктурных биосовместимых пленок на основе стронция- и/или магнийсодержащих кальций-фосфатов из плазмы ВЧ-магнетронного разряда. Кроме того, управление структурой и фазовым составом покрытия будет осуществляться подбором режимов осаждения (приложением к подложке отрицательного электрического смещения, временем осаждения, температурой поверхности конденсации), а также концентрацией допанта и рельефом подложки. Для систематических исследований физико-химических и механических свойств низкоразмерных систем (граница раздела, тонкое покрытие) будут использованы первопринципные методы расчёта в рамках теории функционала плотности. Данный проект является уникальным, поскольку количество стабильных и технологически оправданных технологий для получения биоматериалов по своему составу и структуре приближенных к костной ткани ограничено. Мультистадийность планируемых к реализации исследований позволит охватить все ключевые стадии, необходимые для получения композита с управляемыми физико-механическими свойствами и улучшенной биосовместимостью. Благодаря запланированным исследованиям появится возможность не только улучшить технологию получения материала с помощью электронно-лучевого синтеза, но и улучшить приживаемость и стабильность медицинского изделия за счет целенаправленного модифицирования поверхности. Таким образом, в результате реализации проекта: - будут получены мета-биоматериалы, в том числе, с оптимизированными с использованием метода конечных элементов свойствами для обеспечения длительных условий эксплуатации в условиях периодических нагрузок, в том числе сдвиговых. - на основе результатов моделирования методом конечных элементов будут разработаны способы получения пористых скэффолдов методом электронно-лучевого сплавления или скэффолдов с топологией трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ) с физико-механическими свойствами близкими к свойствам костной ткани. - будут определены условия получения однородных по химическому и фазовому составу скэффолдов бэта-сплава Ti-Nb различной структуры. - будут получены фундаментальные знания о поведении полученных мета-биоматериалов под действием внешних механических воздействий и о влиянии пористости и структурных особенностей на их механические, физические и функциональные свойства. - будет установлена последовательность фазовых превращений в стронций и/или магний содержащих фосфатах-кальция на всех этапах формирования биосовместимых покрытий, включающих приготовление мишени из однофазного Sr и/или Mg замещенного гидроксиапатита (Ca10-xSrx(PO4)6(OH)2, Ca10-xMgx(PO4)6(OH)2, Ca10-x-yMgxSry(PO4)6(OH)2 (0<(x,y)<10)) и процесса осаждения тонкопленочного покрытия методом высокочастотного магнетронного распыления. - будут получены результаты исследований морфологии, микроструктуры, химического и фазового состава покрытий, в зависимости от условий его формирования: энергии ионов, бомбардирующих поверхность, температуры конденсации, концентрации допанта, рельефа подложки, времени осаждения. - будет установлена связь между параметрами микроструктуры и физико-механическими свойствами покрытия (твердость, модуль упругости, адгезионные и износостойкие свойства) и поверхностными (смачиваемость, свободная поверхностная энергия и ее полярная и дисперсная составляющие) свойствами покрытий, полученных распылением мишеней на основе модифицированного ГА в разных режимах. - будет установлена микроскопическая природа межатомного взаимодействия на границе радела между бэта-сплавом Ti-Nb и гидроксиапатитовым покрытием, и определены характерные изменения электронной структуры при замещении катионами Mg и Sr позиций Ca2+ в структуре гидроксиапатита. - будет достигнуто понимание основных факторов, ответственных за формирование стабильных интерфейсов бэта-сплав Ti-Nb-биоактивное покрытие на основе модифицированного гидроксиапатита. - будут установлены наиболее эффективные способы модифицирования поверхности имплантатов, которые обеспечивают адгезию и пролиферацию остеогенных клеток.