Разработка бислойной биоинженерной конструкции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для репаративной хирургии плоских и трубчатых костей

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 19.09.2014 № 14.578.21.0055 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 19.09.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

• Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
• Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
• Представлены выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач.
• Разработан план исследований экспериментальных образцов имплантатов in vivo и in vitro.
• Исследована физиологическая активность лейкоцитов крови человека после контакта с порошками СВМПЭ.
• Исследован индуцированный гемолиз эритроцитов крови человека после контакта с порошками СВМПЭ.
• Получены экспериментальные образцы СВМПЭ с пористой структурой методом спекания, с возможностью регулирования размеров пор.
• Получены экспериментальные образцы СВМПЭ с пористой структурой методом выщелачивания легкорастворимого наполнителя.
• Проведены структурные исследования экспериментальных образцов СВМПЭ. Изучено распределение пор по размерам. Определено объёмное содержание пор в полимере.
• Получены экспериментальные образцы сплошного армирующего слоя биоинженерных конструкций.
• Разработана методика получения СВМПЭ с высокой пористостью. Разработана методика получения сплошного армирующего слоя биоинженерных конструкций.
• Разработаны программа и методики испытаний экспериментальных образцов СВМПЭ с высокой пористостью и экспериментальных образцов сплошного армирующего слоя и проведены испытания.
• Проведены исследования сплошного армирующего слоя биоинженерных конструкций методами рентгеноструктурного анализа, ИК-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии.
• Разработана методика совмещения сплошного армирующего слоя и пористого слоя в монолитную биоинженерную конструкцию.
• Подведены итоги этапа. Разработан промежуточный отчет о ПНИ.
• Выделена и оборудована площадка под «чистую» комнату.
• Представлено материально-техническое обеспечение выполнения работ.
• Разработана лабораторная установка для стерилизации биоинженерных конструкций, осаждения биоактивных покрытий на поверхность сплошного армирующего слоя и насыщения СВМПЭ с высокой пористостью белковыми факторами роста методом сверхкритичных сред. Проведен монтаж и запуск лабораторной установки.

При этом были получены следующие результаты:

• Были рассмотрены современные материалы, применяемые в имплантологии для восстановления целостности костных тканей, рассмотрено влияние структуры материала на остеокондуктивные свойства имплантатов. Рассмотрены основные принципы и механизмы регенерации костных тканей с использованием различных биоматериалов. Представлен обзор по современным методам формирования пористой структуры у синтетических полимерных материалов. Был произведён патентный поиск в проблемно-ориентированной области и представлены передовые результаты, полученные в ведущих мировых и отечественных фирмах и центрах по разработке костных иплантатов.
• В качестве материала для изготовления бислойной биоинженерной конструкции был выбран биостабильный сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). В качестве биоматериалов было решено использовать мезенхимальные стволовые клетки и белок TGF-β. Для создания антибактериального слоя на поверхности имплантата было решено использовать цефалоспоринов второго поколения и бета-лактамных антибиотиков ряда пенициллина. Для импрегнирования антибиотиков и стерилизации имплантатов остановились на использовании сверхкритических флюидов.
• Был разработан план проведения исследований in vivo и in vitro экспериментальных образцов имплантатов.
• Интенсивность гибели лейкоцитов, индуцированная всеми тремя испытуемыми образцами порошков СВМПЭ, не превышала 9%, что меньше предельно допустимого значения IC.
• Интенсивность индуцированного гемолиза (ИГ) после инкубации с тремя испытуемыми образцами порошков СВМПЭ не превышала 4,1%, что значительно меньше предельно допустимого значения ИГ.
• Были получены экспериментальные пористые образцы СВМПЭ методом спекания с использованием 4 различных разработанных температурных программ. Все образцы, полученные методом спекания, продемонстрировали неудовлетворительные свойства по пластичности.
• Были получены экспериментальные пористые образцы СВМПЭ методом термопрессования с последующим выщелачиванием порообразующего наполнителя. Экспериментальные пористые образцы, полученные при давлении термопрессования 70 МПа, продемонстрировали высокую обратимую упругость и высокую пластичность при изгибе на 90°.
• Были проведены структурные исследования полученных пористых образцов. При давлении термопрессования в 70 МПа порошок СВМПЭ образует единый пористый каркас. Размер формируемых пор пропорционален размеру вводимого наполнителя и находится в диапазоне от 100 мкм до 800 мкм, что соответствует п.4.2.3.1 ТЗ.
• Была измерена объёмная пористость пористых образцов. Образцы с массовым содержанием NaCl от 60 до 80 % продемонстрировали объёмную пористость удовлетворяющую ТЗ. Пористые образцы, полученные методом термопрессования при давлении 5 МПа, удовлетворяют требованиям ТЗ по количеству пор при содержании NACl от 70 до 80 % масс. Пористые образцы, полученные методом термопрессования при давлении 70 МПа, имеют объёмную пористость равную 79%, что удовлетворяет требованиям ТЗ.
• По результатам проведённых испытаний и исследований было установлено, что только пористые образцы, полученные методом термопрессования при давлении 70 МПа удовлетворяют требованиям ТЗ.
• Были получены методом термопрессования экспериментальные образцы сплошного армирующего слоя биоинженерных конструкций.
• Были разработаны методики получения СВМПЭ с высокой пористостью и сплошного армирующего слоя биоинженерных конструкций. На рисунке 1 представлена СЭМ СВМПЖ, совмещающего в себе пористую и сплошную структуры.

Рисунок 1 — Фотография двухслойного материала и СЭМ участка этого материала, где наблюдается переход от пористой структуры к сплошной

• Проведённые испытания экспериментальных высокопористых образцов СВМПЭ показали, что полученные материалы обладают прочностью по достижению деформации 40% 1,36±0,11 МПа, модулем упругости 14,3 ±0,9 МПа и максимальной деформацией до потери устойчивости 47 %. Испытания на изгиб высокопористых образцов СВМПЭ продемонстрировали высокую пластичность при изгибе. Оценка распределения пор по размерам у высокопористых образцов СВМПЭ показала, что все поры находятся в диапазоне от 80 мкм до 700 мкм. Все поры в СВМПЭ являются открытыми и сообщающимися между собой.
• Была разработана методика совмещения сплошного армирующего слоя и пористого слоя в монолитную биоинженерную конструкцию, заключающаяся в едином цикле термопрессования этих слоёв. В материале полученным таким методом образуется переходный когезионный слой, соединяющий сплошную и пористую структуры материала. Разработанная методика позволяет формировать сплошной и высокопористый слои в один цикл термопрессования.