14 604 21 0084 от 30 июня

14. 604. 21. 0084 от « 30» июня 2014 г Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014— 2020 годы» Приоритетное направление: Индустрия наносистем Программное мероприятие: 1. 2. Прикладные научные исследования (ПНИ) Соглашение № 14. 604. 21. 0084 от « 30» июня 2014 г на период 2014 - 2016 гг. Тема: Разработка научно-технологических основ получения композиционного наноматериала на основе наноструктурированной матрицы титана и поверхностного биоактивного нанопокрытия для повышения механических и биомедицинских свойств имплантантов Руководитель проекта: Зав. научно-исследовательской лаборатории СПб. ГУ, профессор, д. ф-м. н. Валиев Руслан Зуфарович Ответственный исполнитель: доцент СПб. ГУ, к. х. н. Земцова Елена Георгиевна Получатель субсидии Цели и задачи проекта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет Индустриальный партнер ООО «Нано. Мет» , предприятие занимающегося получением и применением нанотитана. Объём привлекаемых внебюджетных средств: 6 500 000 рублей (2014 – 2 000 руб. / 2015 – 2 500 000 руб. / 2016 – 2 000 руб. ) Роль в проекте: Изготовление нанотитановых образцов –заготовок. Аттестация структурных характеристик, прочностных характеристик и усталостной долговечности нанотитановых образцов – заготовок. Соисполнитель проекта: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет» . . Цель проекта: Разработка научно-технологических основ получения композиционного наноматериала на основе титана с биоактивным нанопокрытием, причем процесс получения основан на сочетании объемного наноструктурирования матрицы титана методом интенсивной пластической деформации и поверхностных биоактивных пористых нанопокрытий для повышения механических и биомедицинских свойств имплантантов. Основной задачей данного проекта является разработка комплексного подхода к синтезу композиционного наноматериала на основе нанотитана с биоактивным покрытием который позволит значительно повысить скорость приживления имплантатов. Улучшение механических свойств материала позволит миниатюризировать конструкцию имплантанта, что приведёт к снижению раневой поверхности и ускоренному остеосинтезу, а многокомпонентное текстурированное покрытие ускорит рост твёрдых тканей и не позволит инфицировать преимплантную область. Актуальность и новизна проекта: Разработка медицинских имплантантов с улучшенными функциональными свойствами позволит ускорить приживления имплантантов в тело человека. Такие материалы будут приводить к сокращению сроков приживления имплантатов до 1 -2 месяцев по сравнению с 4 -6 месяцами, характерными для современных имплантантов на основе титана. Это приведёт к улучшению качества жизни человека и снижению времени реабилитации после имплантации. Перспективы практического использования Ожидаемые результаты проекта Разрабатываемая технология может применяться для получения имплантатов нового поколения в стоматологии, реконструктивной хирургии и ортопедии. Увеличение средней продолжительности жизни человека, а также быстрый прогресс в современной хирургии напрямую способствует формированию потребности людей в создании новых видов имплантатов. Проводимые нами разработки в области повышения механической прочности титана позволят уменьшить размер биомедицинского имплантата, тем самым, снизят уровень повреждения тканей во время его введения в организм человека (например, имплантация зубов) и минимизируют отрицательные последствия послеоперационного периода. Улучшение функциональных свойств позволит повысить скорость приживляемости имплантатов в тело человека. Срок службы изделия при этом способен вырасти в 2 раза. При изменении химического состава биоактивного нанопокрытия материал может применяться в качестве имплантата замещающего минерализованные ткани других областей скелета. В новых имплантатах заинтересованы сеть стоматологических клиник «Меди» , ВНИИПМИ (г. Казань), ООО”Конмет” (г. Москва), а также другие предприятия и медицинские клиники. Успешная реализация данного проекта может привести к созданию конкурентноспособного Российского рынка медицинских имплантатов. 1. Разработка научно-технического подхода к получению экспериментальных образцов композиционного наноматериала на основе нанотитана с биоактивным нанопокрытием для медицинских имплантантов; 2. Разработка лабораторной методики получения экспериментальных образцов композиционного материала с биоактивным нанопокрытием для имплантантов с улучшенными биомедицинскими свойствами (ускоренная остеоинтеграция); 3. Разработка экспериментальных образцов композиционного материала на основе нанотитана с биоактивным нанопокрытием с повышенными прочностными свойствами. 4. Разработанные и изготовленные в результате ПНИ экспериментальные образцы нанотитана с покрытием должны обладать следующими характеристиками: средний размер зерна нанотитановой матрицы - 100 нм; предел прочности нанотитана ( σВ ) MПa ─ не ниже 1240; предел выносливости образцов нанотитана после 10(6) циклов ─ не ниже 590 МПа; рельеф поверхности нанотитановой матрицы - от 20 до 200 нм; толщина пористой плёнки диоксида титана до 200 нм. ; способность клеток остеобластов МС 3 Т 3 -Е 1 к адгезии не менее 65% за 72 часа; сроки вживления в костную ткань в течение 1 -2 месяцев. Мировой аналог: предел выносливости титановых имплантантов Чешской компании Timplant ─ 350 МПа; сроки вживления в костную ткань титановых имплантатов от 4 месяцев. Текущие результаты проекта Разработка экспериментальных образцов нанотитана с титанорганическими наноструктурами щеточного типа на поверхности. Разработка экспериментальных образцов нанотитана с пористыми пленками Ti. O 2 структурированными на микро- и наноуровне 1. Осушители, 2. Гусек с реактивом, 3. Реактор, 4. Чашечка с пластинами нанотитана, 5. Термопара, 6. ЛАТР, 7. Расположение пластинок нанотитана Основное преимущество метода ALD – возможность нанесения равномерных покрытий на поверхности с самым сложным рельефом! Прибор для создания пленок методом dip-coating. Схематичная иллюстрация золь-гель процесса при dip-coating Схема установки синтеза методом МН -ALD в газовой фазе Условия синтеза и структурные характеристики образцов нанотитана с титанорганическими наноструктурами Наименование Динамика накопления остеопонтина при культивиро-вании клеток линии МС 3 Т 3 -Е 1 на поверхности образцов Экспериментальные образцы нанотитана с нанопокрытия Ti. O 2 Ca 10(PO 4)6(OH)2 на поверхности. 1 2 3 4 5 Количество циклов, 150 0 С Номер образца 1 2 3 4 1 5 Условия синтеза 1 2 3 4 5 1. Температура подготовки поверхности нано титана 300 400 400 Толщина плёнки, нм 30 75 120 176 200 2. Температура синтеза 200 200 200 Диапазон размера пор, нм 5 -20 5 -20 3. Число циклов обработки нано титана 15 20 10 15 20 Структура сплошна я Субмикронн ые дефекты Одиночные трещины Одиночны е трещины Сетка трещин Размер наноструктур (ширина по оси Х), нм 25100*1 50100*2 25100*1 50100*3 50120*4 Высота наноструктур, нм 5 -14 15 -35 15 -25 30 -80 100 -220 Расстояние между наноструктурами порытия 50 -100 75 -200 УМЗ титан (нанотитан) Получены экспериментальные образцы НМТ с титанорганическими наноструктурами щеточного типа на поверхности: - расстояние между наноструктурами Ti. O 2 на поверхности НМТ - от 50 нм до 200 нм, -высота наноструктур Ti. O 2 до 200 нм, - размер наноструктур (длина по оси Х) от 25 до 120 нм - гидрофобность поверхности - 40 -80 0, -химический состав - Ti. O 2, кальций-фосфатные структуры, СН 3 -группы; -способность клеток остеобластов МС 3 Т 3 -Е 1 к адгезии не менее 85% за 72 часа. - способность клеток линии МС 3 Т 3 -Е 1 к дифференцировке в остеогенной направлении. СЭМ изображение. Микрофотография поверхности нанотитана с нанесенными на поверхность титанорганическими наноструктурами 14. 604. 21. 0084 от « 30» июня 2014 г Образец для проведения механических испытаний на растяжение Покрытие - структура (размер зерна) = 100 нм - предел прочности В =1240 МПа, - предел текучести 0, 2=1140 МПа, -предел выносливости образцов -на базе 10 -6 циклов - 590 МПа. 2 Микрофотографии поверхности образца: 1 наноструктура, 2 - микроструктура - биоактивные, - биосовместимые Дизайн конструкций d =3, 5 нм d =2, 2 нм -Миниатюризация конструкции при сохранении механических свойств исходных изделий, Экспериментальный имплантат Динамика накопления остеопонтина при культивировании клеток линии МС 3 Т 3 -Е 1 на поверхности образцов.