Эластичные интрамедуллярные имплантаты с остеоиндуктивными композиционными покрытиями на основе сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом и гидроксиапатита
Актуальность работы. В настоящие время в России и мире фиксируется
рост количества детских ортопедических патологий связанных с укорочением и
деформациями конечностей. Методики и способы восстановления функции
опорно-двигательного аппарата для лечения пациентов с укорочением и
деформациями конечностей вызванных генетическими заболеваниями
(несовершенный остеогенез, фосфат диабет, болезнь Лери), основанные на
применении метода компрессионно-дистракционного остеосинтеза достигли
предела своих биомеханических возможностей. Объединение усилий
отечественных специалистов из ФГУ РНЦ ВТО им. акад. Г.А. Илизарова (г.
Курган) и французских ортопедов из университета Нанси позволило разработать
методику остеосинтеза, основанную на концепции активного воздействия на
костную ткань, в том числе, биологически активными имплантатами для
управления процессами ее регенерации и минерализации. Методика сочетает в
себе достоинства метода компрессионно-дистракционного остеосинтеза по Г.А.
Илизарову и метода остеосинтеза тонкими эластичными спицами,
имплантируемыми в интрамедуллярный канал трубчатой кости – эластичными
интрамедуллярными имплантатами (flexible intramedullary nail), что позволяет
использовать ее, в том числе для коррекции укорочений и деформаций
конечности, вызванных генетическими нарушениями.
Улучшение клинических результатов применения комбинированной
методики остеосинтеза и расширение спектра показаний к её применению связано
с дальнейшим совершенствованием эластичного интрамедуллярного имплантата.
Исследования, направленные на разработку эластичных интрамедуллярных
имплантатов с улучшенными свойствами, являются актуальными.
Работа выполнена в лаборатории “Плазменных гибридных систем” Научно-
образовательного центра Б. П. Вейнберга Федерального государственного
автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный
исследовательский Томский политехнический университет» в тесном
сотрудничестве с коллегами кафедры “Неорганической химии” НИ ТГУ г. Томск,
ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России г. Курган,
ФГБУ «НМИЦ им. В. А. Алмазова» Минздрава России, г. Санкт-Петербург,
ФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-
сосудистых заболеваний» г. Кемерово. Работа выполнена в рамках ФЦП
“Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России”, соглашение № 14.575.21.0140 “Разработка
остеостимулирующих имплантатов на основе гибридных технологий
модифицирования их поверхности и компьютерного моделирования выхода
лекарственных препаратов для персонализированной медицины при политравме и
онкологии” (уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEF157517X0140).
Степень разработанности темы. В настоящее время в клинической
практике для исправления укорочений и деформаций длинных трубчатых костей
используют два вида эластичных интрамедуллярных имплантатов: имплантаты
диаметром до 2 мм, изготовленные из нержавеющей стали и титановые
имплантаты диаметром до 2,5 мм с кальций-фосфатным покрытием (КФ),
сформированным методом микродугового оксидирования (MДO).
Достоинством стальных интрамедуллярных имплантатов являются
отличные механические свойства и низкая стоимость, при этом главным
недостатком является низкая способность продуцировать костную ткань. В
настоящие время стальные интрамедуллярные имплантаты производит ФГУП
«Опытный завод РНЦ «ВТО» имени академика Г.А. Илизарова»
Минздравсоцразвития России.
Недостатки стальных интрамедуллярных имплантатов в значительной
степени устранены в титановых интрамедуллярных имплантатах с КФ MДO
покрытием. Существенный вклад в разработку технологии КФ MДO покрытий
для титановых имплантатов, внесли коллективы отечественных ученых из ИХ
ДВО РАН под руководством чл.-корр. РАН Гнеденкова С. В., НИУ БелГУ под
руководством д.ф.-м.н. Колобова Ю. Р., ИФПМ СО РАН под руководством д.ф.-
м.н. Шаркеева Ю.П. Обладая высокой способностью продуцировать костную
ткань, КФ MДO покрытия характеризуются низкой эластичностью, что вызывает
отслоения и разрушения покрытия в процессе имплантации, кроме этого
ограничен ассортимент металлов (Ti, Zr, Nb), на которых можно формировать
покрытие методом MДO. Эти ограничения сокращают клинические возможности
метода комбинированного остеосинтеза с использованием эластичных
интрамедуллярных имплантатов, так как имеется клиническая потребность в
стальных эластичных интрамедуллярных имплантатах, обладающих высокой
способностью продуцировать костную ткань. В настоящие время, в отечественной
и зарубежной литературе, не освещены вопросы получения биологически
активных композиционных покрытий, на поверхности стальных эластичных
интрамедуллярных имплантатов. Имплантаты, удовлетворяющие современным
клиническим потребностям, отсутствуют.
Объекты исследования: Композиционные покрытия на основе сополимера
винилиденфторида с тетрафторэтиленом (ВДФ-ТеФЭ) и гидроксиапатита (ГА),
кальций-фосфатные покрытия сформированные методом MДO, эластичные
интрамедуллярные имплантаты с КФ MДO покрытием и композиционным
покрытием на основе сополимера ВДФ-ТеФЭ и ГА, полимерные каркасы на
основе сополимера ВДФ-ТеФЭ.
Предмет исследования: физико-химические и медико-биологические
свойства: полимерных каркасов на основе сополимера ВДФ-ТеФЭ, эластичных
интрамедуллярных имплантатов с композиционных покрытий на основе
сополимера ВДФ-ТеФЭ и ГА, кальций-фосфатным покрытием сформированным
методом MДO.
Цель работы: разработка эластичных интрамедуллярных имплантатов из
нержавеющей стали с покрытием, обладающим высокой способностью
продуцировать костную ткань для коррекции ортопедических патологий.
Для достижения поставленной цели решались следующе задачи:
1. Выбор материалов для изготовления композиционного покрытия для
стальных эластичных интрамедуллярных имплантатов.
2. Выбор способа формирования композиционного покрытия на
поверхности эластичных интрамедуллярных имплантатов.
3. Разработка и изготовление технологического оборудования для
формирования композиционных покрытий и полимерных каркасов.
4. Исследование физико-химических и медико – биологических свойств
полимерных каркасов.
5. Исследование физико-химических и медико-биологических свойств
композиционных покрытий для эластичных интрамедуллярных имплантатов.
6. Разработка дизайна эластичного интрамедуллярного имплантанта.
7. Проведение сравнительных исследований разработанных эластичных
интрамедуллярных имплантатов с биологически активным композиционным
покрытием с существующими аналогами.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что полимерные каркасы на основе сополимера
винилиденфторида с тетрафторэтиленом, сформированные методом
электроформования и аэродинамического формования, содержат электрически
активные кристаллические фазы, при этом прочность более чем 7,5 раз и
содержание электрически активных кристаллических фаз более чем на 40 % выше
в каркасах сформированных методом электроформования что обусловлено
воздействием электрического поля на прядильный раствор в процессе
формования каркаса.
В результате диссертационной работы показано, что сополимер
винилиденфторида с тетрафторэтиленом благодаря высокой химической и
термической стабильности, способности растворятся в низкотоксичных
органических растворителях и наличию пьезоэлектрических свойств является
перспективным материалом для создания на его основе широкой гаммы изделий
для реконструктивно-восстановительной хирургии.
Научным результатом работы стало развитие представлений о
формирование электрически активных кристаллических фаз в сополимере
винилиденфторида с тетрафторэтиленом в при его кристаллизации из раствора в
условиях интенсивного испарения растворителя; при его кристаллизации из
расплава в присутствие мелкодисперсных частиц фосфатов кальция; получение
новых знаний об особенностях взаимодействия электрически активных
полимерных и композиционных материалов с клетками и тканями в системах in
vitro, in vivo.
Практическим результатом работы является разработка нового
медицинского изделия – стального интрамедуллярного имплантата с
биологически активным композиционным покрытием на основе сополимера
винилиденфторида с тетрафторэтиленом гидроксиапатита; конструкции
интрамедуллярного имплантата позволяющего минимизировать разрушительной
воздействие на биологически активное покрытие имплантата в процессе
имплантации; технологическое оборудования предназначенное для изготовления
широкого спектра медицинских изделий (нетканые материалы для
регенеративной медицины и тканевой инженерии, покрытия на металлические,
керамические и полимерные имплантаты, подложки для культивирования клеток)
методом аэродинамического формования из полимерных и композиционных
материалов.
Заложен значительный потенциал увеличения остеопродуктивных свойств
эластичных интрамедуллярных имплантатов с композиционным покрытием
путем использования в качестве биологически активного наполнителя
быстрорастворимых фосфатов кальция, таких как аморфные фосфаты кальция,
кальций-фосфатные стекла, трикальцийфосфат и т.д., способствующих
насыщению места имплантации ионами кальция и фосфора; улучшения
электрофизических свойств полимерного связующего посредством
дополнительной “положительной” или “отрицательной” поляризации имплантата,
оптимизации кристаллической структуры подбором технологических параметров
формирования покрытия; модифицирования поверхности композитного покрытия
с целью увеличения гидрофильности, например, в плазме магнетронного разряда.
Благодарности
Автор выражает глубокую признательность коллегам и близким, участие
которых в настоящей работе невозможно переоценить. Научному руководителю
В. М. Бузнику и руководителю лаборатории “Плазменных гибридных систем”
ТПУ С. И. Твердохлебову за доверие, внимание, постоянную помощь и
поддержку, объективную критику при проведении исследований и интерпретации
их результатов. Профессионалам, во многом сформировавшим мое отношение к
исследовательской деятельности: Попокову А.В., Хлусову И.А., Попкову Д.А.,
Гузееву В.В., Карлову А.В, Антоновой Л.В., Чердынцевой Н.В., Ростовцеву А.В.,
Зайцеву К.В., Головкину А.С., Светличному В., Лапину И.Н., Верешагину В.И.,
Козику В.В., моей супруге Больбасовой Лидии, а так же моим родителям Галине
Петровне и Николаю Федоровичу.
Список сокращений и условных обозначений
ЭИ – эластичный интрамедуллярный имплантант;
АВФ – аппарат внешней фиксации;
МСК – мультипотентные стволовые клетки;
ПК – полимерный каркас;
КК – композиционный каркас;
КФ – кальций фосфатное покрытие;
MДO – метод микродугового оксидирования;
ПВДФ – поливинилиденфторид;
ТеФЭ – тетрафторэтилен;
ВДФ-ТеФЭ – сополимер винилиденфторида с тетрафторэтиленом;
ВДФ-ТрФЭ – сополимер винилиденфторида с трифторэтиленом;
ГА – гидроксиапатит;
ЭC – метод электроформования (электроспинниг);
АЭРДФ – метод аэродинамического формования;
СЭМ – сканирующая электронная микроскопия;
ДСК – дифференциальная сканирующая калориметрия;
ИК – инфракрасная спектроскопия;
FITC – изотиоцианат флуоресцеина;
PE – фикоэритрин;
ЛВЖ – легковоспламеняющиеся жидкости
СМС – синтетические моющие средства
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (285 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
5 (14 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.5 (80 отзывов)
5 (44 отзыва)
4 (15 отзывов)
5 (428 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
