Разработка прототипов персонализированных имплантатов, изготовленных с помощью аддитивных технологий из высокопрочных сплавов с биосовместимым покрытием

Актуальность проблемы, предлагаемой к решению Сегодня применение имплантатов стало общепринятым терапевтическим подходом к реабилитации пациентов с дефектами челюстно-лицевой области. Исследованиям и разработкам в рамках этой сферы были посвящены значительные временные и прочие ресурсы, и, как следствие, по данным медицинской литературе в клинической практике отмечается очень высокий процент приживаемости по различным типам и системам имплантатов. Несмотря на прогресс в имплантологии, лечение, связанное с применением имплантатов, протекает не без осложнений. Такие технические характеристики как: качество материала, структура поверхности и форма имплантата - три основных фактора, от которых зависит количество осложнений при протезировании, таких как: перелом имплантата, перелом супраструктур имплантата (фиксирующих винтов), перелом ортопедических конструкций. По данным литературы общее количество технических осложнений в период функциональной нагрузки достигает 10-15% после 10 летней функции имплантатов (Васильев А.В. и соавт. 2010, Долгалев А.А. и соавт. 2018, Параскевич В.Л. 2011, Buser D. 2009 и т.д.). В рамках данного проекта планируется разработать для внутрикостных имплантатов из высокопрочных сплавов новую технологию создания биосовместимых наноструктурированных покрытий, в основе которой будет лежать применение современных нанотехнологических методов, хорошо зарекомендовавших себя в области микро- и наноэлектроники при производстве функциональных тонких пленок и наногетероструктур. Использование принципов групповых технологий микро- и наноэлектроники в производстве биосовместимых покрытий внутрикостных имплантатов позволит снизить затраты на их производство и обеспечить стабильное качество изделий с заданными механическими, биохимическими и остеоинтеграционными свойствами. Прежде чем раскрыть сущность научной новизны технологии следует отметить, что восполнение дефектов костных тканей вследствие травмы, коррекции врожденных заболеваний или удаления опухолей являются наиболее одной из важных задач медицины. Решение данной задачи реконструктивно-восстановительными операциями посредством пересадки собственных костных тканей пациента существенно ограничено объемом доступного аутоматериала и необходимостью проведения дополнительных операций, зачастую достаточно травматичных. В этой связи особую актуальность в современном материаловедении приобретают исследования, направленные на разработку биоматериалов, имитирующих костную ткань. Несмотря на то, что в клинической практике применяется огромное количество разнообразных материалов на основе металлов, керамики, полимеров и их комбинаций, качество имплантатов остается неудовлетворительным, что стимулирует дальнейшие исследования в области разработки новых искусственных биоматериалов и конкурентоспособных технологий изготовления имплантатов. Одним из наиболее часто используемых материалов в имплантологии является титан и сплавы на его основе. Титан является химически и биологически инертным, что обусловливает его использование для изготовления имплантатов различного назначения. Однако чистый титан, в отличие от сплавов титана с алюминием и ванадием имеет относительно низкую прочностью. В то же время, сплавы вследствие присутствия примесей характеризуются худшей чем у титана биосовместимостью и остеоинтеграцией. Простым, экономичным, и в то же время действенным решением проблемы может стать нанесение на поверхность имплантатов, изготовленных из высокопрочных сплавов титана, модифицирующих покрытий с высокой биологической совместимостью с тканями живого организма. В настоящее время этот подход используют многие научные группы разрабатывающие новые имплантаты. Инновационной идеей этого проекта является создание высокопрочного имплантата имеющего несколько покрытий из различных материалов со строго заданными морфологией поверхности и профилем распределения по поверхности имплантата. В основе данной идеи лежит стремление добиться лучшей биосовместимости поверхности имплантата, контактирующей с различными тканями живого организма. Важно отметить, что биосовместимость с мягкими и костными тканями организма зависит не только от химического состава имплантата, но таке от морфологии его поверхности. Для мягких тканей поверхность должна иметь шероховатость порядка 20-40 нм, а для костной около 1,5-2 мкм. Важно отметить, что тонкий слой диоксида титана, именуемый естественным оксидом, присутствует на поверхности всех коммерчески доступных имплантатов на основе титана. Благодаря этому слою титановые имплантаты обладают способностью к остеоинтеграции с костной тканью. Научной новизной является то, что в рамках проекта планируется получить прототип имплантата с биосовместимым покрытием диоксида титана методом атомно-слоевого осаждения (ALD). Известно, что метод ALD позволяет получать плотные высококачественные тонкие пленки различных материалов с необходимой толщиной, контролируемой с точностью до монослоя. Этот метод применяется в области микро- и наноэлектроники и ранее не был использован для получения биосовместимых покрытий имплантатов. По нашему мнению, с помощью этого метода можно получить покрытия на основе тіO2 стехиометрического состава, с максимально высокой плотностью при минимально возможных температурах (до 2000С). Низкие температуры процессов ALD позволят создать прочные покрытия с высокой адгезией и малыми внутренними механическими напряжениями. В тоже время ожидается, что благодаря высоким плотностям и отсутствию пор в слоях диоксида титана, химически активные примеси в титановом сплаве будут изолированы от взаимодействия с живой тканью. Таким образом, планируется повысить биосовместимость высокопрочных имплантатов. изготовленных из высоколегированных титановых сплавов, до уровня имплантатов из чистого титана. Кроме этого, в рамках проекта планируется провести исследования, направленные на поис: наиболее эффективного способа создания слоя оксида титана. В качестве альтернативы метода ALD планируется использование золь-гель метода. Этот метод широко используется для получения оксидных пленок. Главными достоинствами метода являются его простота, технологичность и экономичность. Несмотря на все преимущества метода, в литературе отсутствуют упоминания о его использовании для выращивания биосовместимых покрытий ТО2 на поверхности имплантатов. Таким образом одним из элементов научной новизны проекта является определение высокотехнологичного и высокоэффективного метода для получения биосовместимых покрытий. Таким образом, в рамках проекта планируется создать продукт, представляющий собой металлический имплантат с покрытием из биосовместимых материалов (ТіO2, Тї). Функциональное назначение продукта - протезирование в челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии. Разработанный имплантат будет обладать высокими значениями прочности, превосходящими прочность имплантатов, изготовленных из титанового сплава ВТ1-0, а таже биосовместимостью и уровнем остеоинтеграции сопоставимыми с таковыми у имплантатов, изготовленных из титанового сплава ВТ1-0.