В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 26 ноября 2014 г. № 14.574.21.0119 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 26.11.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

- выполнен аналитический обзор в области разработки имплантов и протезов, методов формирования развитой поверхности, нанесения на них композиционных материалов и покрытий;

- проведены патентные исследования;

- проведены теоретические и экспериментальные исследования лазерной технологии создания биосовместимых поверхностей пористой структуры имплантов и протезов.

За счет средств внебюджетного софинансирования:

- изготовлены заготовки экспериментальных образцов динамического эндопротеза межпозвонкового диска, тотального эндопротеза тазобедренного сустава, эндопротеза плечевого сустава, зубных имплантов.

При этом были получены следующие результаты:

Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающий научно-техническую проблему.

Полученные результаты свидетельствует о возможности и целесообразности разработки лазерной технологии формирования развитой поверхности имплантов и протезов. Весьма перспективным является  использование рекомбинантного белка и линейно-цепочного углерода. Эффект их применения  направлен на повышение биосовместимости и долговечности межпозвоночных дисков имплантов и протезов суставов.

Предложено два способа формирования пор на поверхности межпозвоночных дисков имплантов и протезов суставов: в виде усечённого конуса глубиной не менее 40 мкм с интервалом 100 мкм при вращении луча лазера на 3600 под углом 25-300 к оси отверстия; и отверстий цилиндрической формы диаметром и глубиной от 50 мкм до 100 мкм, ось которых составляет с перпендикуляром к горизонтальной оси имплантата угол от +450 до -450.

Научную новизну проведенных исследований  представляют способы и теоретические основы формирования пористой структуры поверхности имплантов и протезов, подтвержденные наличием патентов РФ.

Уровень научных и технических решений, разработанных в ходе выполнения проекта, является достаточно высоким и соответствует мировому уровню достижений в области разработки и производства биосовместимых имплантов и протезов, что подтверждается анализом, проведённым на 1 этапе выполнения проекта.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на этапе № 1 исполненными надлежащим образом.

На этапе № 2 проекта в период с 01.01.2015 по 30.06.2015 выполнялись следующие работы:

- разработан лабораторный технологический регламент получения развитой поверхности методом лазерной обработки поверхности;

- разработаны программа и методики испытаний экспериментальных образцов имплантов и протезов с развитой поверхностью на внутрикостной части;

- проведены испытания экспериментальных образцов имплантов и протезов с развитой поверхностью на внутрикостной части.

За счет средств внебюджетного софинансирования:

- изготовлены экспериментальные образцы имплантов и протезов с развитой поверхностью на внутрикостной части.

При этом были получены следующие результаты:

Произведены теоретические и экспериментальные исследования лазерной технологии создания биосовместимых поверхностей пористой структуры. Рассмотрены особенности формирования пористой структуры при использовании технологий нанесения материалов и композитных покрытий. Равномерное нанесение препаратов и их закрепление на поверхности имплантата в условиях механического воздействия при установке предложено осуществлять за счет однотипной по форме и расположению пористой структуры с равномерным шагом. Это создает оптимальные условия для равномерного формирования процесса остеоинтеграции.

Произведена разработка программы и методик испытаний экспериментальных образцов имплантов и протезов с развитой поверхностью на внутрикостной части.

Проведены испытания экспериментальных образцов имплантатов и протезов с развитой поверхностью на внутрикостной части. В качестве метода исследования поверхности имплантатов выбран статистический анализ распределения элементов микрорельефа и пористой структуры по размерам.

Произведенная оценка режимов технологического регламента формирования развитой поверхности методом лазерной обработки позволила  получить оценки пороговых значений энергетических параметров импульсного лазерного излучения. Проведенные экспериментальные исследования режимов обработки титановых имплантатов показали необходимость применения технологии импульсной газолазерной резки. Преимущества данной технологии связано с выдуванием из зоны воздействия луча расплавленного материала. Это способствует увеличению количества удаляемой жидкой фазы и позволяет снизить эффект неконтролируемого перераспределения расплава в момент окончания лазерного импульса. В целом этот режим способствует получению стабильных геометрических параметров пор.

Полученные результаты свидетельствует о необходимости  и разработки лазерной технологии формирования развитой поверхности имплантов и протезов с применением газолазерной технологии.

В процессе исследований установлено о, что на качество резки существенное влияние оказывает мощность, плотность мощности, диаметр, расходимость и модовый состав излучения, фокусное расстояние. Предложено фокальную плоскость луча располагать выше поверхности имплантата. В результате основная энергия лазера распределяется в материале форме усеченной трапеции. Одновременно в зону воздействия под давлением предложено подается газ. Это  способствует выдуванию расплавленных продуктов из зоны воздействия лазера.

Разработана система координатного управления движением обрабатываемого имплантата и ориентации оптической головки и сопла, относительно поверхности.

В процессе работы произведена экспериментальная оценка режимов лазерной обработки. Исследовалось влияние мощности излучения, фокусного расстояния, частоты излучения, длительности импульса. При этом осуществлялся контроль характеристик обрабатываемой поверхности инструментальным микроскопом ИМЦЛ100х50А.

Особое внимание было уделено получению качественной поверхности. Проведенные исследования режимов лазерной обработки показали, что одной из основных является задача получения образца с требуемой геометрией, с полным устранением облоя по всей области воздействия лазерного излучения. Для решения этой задачи, использовалась газолазерная обработка с использованием аргона.

Научную новизну проведенных исследований представляют способы и теоретические основы формирования пористой структуры поверхности имплантов и протезов, подтвержденные наличием патентов РФ.

Уровень научных и технических решений, разработанных в ходе выполнения проекта, является достаточно высоким и соответствует мировому уровню достижений в области разработки и производства биосовместимых имплантов и протезов, что подтверждается анализом, проведённым на 2 этапе выполнения проекта.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на этапе № 2 исполненными надлежащим образом.

На этапе № 3 проекта в период с 01.07.2015 по 31.12.2015 выполнялись следующие работы:

- проведены теоретические и экспериментальные исследования  технологии нанесения неорганического биоинертного покрытия на биосовместимые импланты и протезы с развитой поверхностью;

- разработан лабораторный технологический регламент нанесения неорганического биоинертного покрытия на импланты и протезы с развитой поверхностью.

За счет средств внебюджетного софинансирования:

- изготовлены экспериментальные образцы имплантов и протезов с неорганическим биоинертным покрытием.

При этом были получены следующие результаты:

Произведены теоретические и экспериментальные исследования и разработка технологии нанесения неорганического биоинертного покрытия на импланты и протезы с развитой поверхностью. В качестве технологии получения биоинертного покрытия исследовалось осаждение углеродных пленок двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода. Для этого предложено использовать вакуумную камеру с импульсным плазменным генератором и ионным источником. Для ионной стимуляции процесса предложено использовать пучок ионов аргона и азота с энергией. Плазменный поток направляется на рабочую поверхность катода. Длительность разряда составляет примерно 450 мкс, частота генерации импульсов разряда от 1 до 5 Гц. Энергия ионов аргона составляла порядка 400 эВ. Скорость конденсации пленки углерода варьируется от 2 до 8 ангстремм за время одного импульса. Нейтрализация зарядов ионов углерода на поверхности конденсата осуществляется «холодными» электронами плазмы, что позволило устранить зарядку поверхности подложки и не использовать дополнительный ускоряющий потенциал для ионов углерода на подложке. На основе исследования физической модели разряда, проведены теоретические и экспериментальные исследования  технологии нанесения неорганического биоинертного покрытия на биосовместимые импланты и протезы с развитой поверхностью. Установлено влияние ключевых параметров формирования плазменного потока  при осаждении пленок на экспериментальные образцы динамического эндопротеза межпозвонкового диска, тотального эндопротеза тазобедренного сустава, эндопротеза плечевого сустава, зубных имплантов. Для равномерного нанесения пленки на сложную поверхность образцов, во время напыления осуществлялось равномерное вращение держателя с образцами с частотой порядка 0,1 Гц. Исследован наблюдающийся эффект покрытия для различных макро форм развитой поверхности. При этом определены усредненные по объему концентрации и температуры электронов, потенциалы плазмы с функцией распределения электронов и плотностью ионного тока.

Произведены исследования структуры пленок для различных режимов работы установки осаждения пленок.

На основе проведенных исследований разработан лабораторный технологический регламент нанесения неорганического биоинертного покрытия на импланты и протезы с развитой поверхностью.

По предложенной методике и технологии изготовлены экспериментальные образцы имплантов и протезов с неорганическим биоинертным покрытием.

Полученные результаты представляют научную новизну решения задачи нанесения биоинертного покрытия на имплантанты различных типов и форм развитой поверхности. Разработанная технология и методика нанесения пленок двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода позволяет эффективно формировать однородную равномерную структуру пленки. На поверхности образцов отсутствуют инородные включения регулярного типа, за исключением немногочисленных случайно осевших пылинок. На всех образцах присутствует линейно-цепочечная фаза при 2000-2200 см-1, а основной пик, соответствующий изгибам углеродных цепочек лежит в области 1550 см-1.

Полученные результаты в полной мере соответствуют требованиям по п.п. 4.2.2 ТЗ к выполняемому проекту и обеспечивают требуемую толщину биосовместимой пленки линейно-цепочного углерода на поверхности имплантов и протезов.

Сопоставление полученных результатов с достижениями мирового уровня, говорит о эффективности метода и радикальном отличии полученных результатов.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на этапе № 3 исполненными надлежащим образом.

На этапе № 4 проекта в период с 01.01.2016 по 30.06.2016 выполнялись следующие работы:

- проведены теоретические и экспериментальные исследования технологии нанесения композитного материала на основе белково-минеральных компонентов на биосовместимые импланты и протезы с развитой поверхностью;

- разработан лабораторный технологический регламент нанесения композиционного материала на основе белково-минеральных компонентов на импланты и протезы с развитой поверхностью;

- разработаны программа и методики испытаний экспериментальных образцов имплантов и протезов с нанесенным неорганическим биоинертным покрытием и композитным материалом на основе белково-минеральных компонентов;

- проведены испытания экспериментальных образцов имплантов и протезов с нанесенным неорганическим биоинертным покрытием и композитным материалом на основе белково-минеральных компонентов.

За счет средств внебюджетного софинансирования:

- изготовлены экспериментальные образцы имплантов и протезов с покрытием из композиционного материала на основе белково-минеральных компонентов.

Разработанная технология и методика нанесения покрытия из композиционного материала на основе белково-минеральных компонентов позволяет равномерно покрыть поверхность протеза или импланта смесью косного гидроксиапатита и рекомбинантного костного морфогенетического белка-2 человека (ВМР-2).

Кроме того, в соответствии с п. 4.3 Плана-графика и п. 3.7 ТЗ, была разработана Программа и методики испытаний экспериментальных образцов имплантов и протезов с нанесенным неорганическим биоинертным покрытием и композитным материалом на основе белково-минеральных компонентов, целью которых является:

- оценка содержания пролонгированной формы рекомбинантного костного морфогенетического белка-2 человека (ВМР-2) на поверхности имплантов и протезов, покрытых композитным материалом на основе белково-минеральных компонентов;

- оценка сокращения сроков биоинтеграции (остеоинтеграции) имплантов и протезов в организме за счет нанесения на них неорганического биоинертного покрытия и покрытия на основе белково-минеральных компонентов;

- оценка их биологической безопасности и совместимости;

- оценка толщины биосовместимой пленки линейно-цепочного углерода на поверхности имплантов и протезов с неорганическим биоинертным покрытием, в соответствии с требованиями ТЗ.

Также на данном этапе работы над проектом, в соответствии с п. 4.5 Плана-графика, были изготовлены экспериментальные образцы имплантов и протезов с покрытием из композиционного материала на основе белково-минеральных компонентов в достаточном для проведения испытаний количестве.

Результаты испытаний экспериментальных образцов имплантов и протезов с нанесенным неорганическим биоинертным покрытием и композитным материалом на основе белково-минеральных компонентов, проведенных в соответствии с п. 4.4 Плана-графика, показали, что:

- импланты и протезы с композиционным белково-минеральным покрытием содержат BMP-2, выделение костного морфогенетического белка-2 человека с поверхности имплантов и протезов происходит пролонгированно, равномерно и продолжается до 4 недель;

- неорганическое биоинертное покрытие, как и покрытие на основе белково-минеральных компонентов, сокращает сроки остеоинтеграции имплантов и протезов по сравнению с нормальными значениями;

- оба этих покрытия биологически безопасны и совместимы с организмом человека;

- толщина биосовместимой пленки линейно-цепочного углерода на поверхности имплантов и протезов с неорганическим биоинертным покрытием лежит в пределах от 0,1 до 2000 нм.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на этапе № 4 исполненными надлежащим образом.