Остеокондуктивные матриксы для магнитоуправляемой тканевой инженерии с «умными» элементами на основе композитных мультиферроиковНИР

Smart osteoconductive scaffolds for magnet-driven tissue engineering, containing composite multiferroics

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 7 мая 2019 г.-31 декабря 2019 г. Остеокондуктивные матриксы для магнитоуправляемой тканевой инженерии с «умными» элементами на основе композитных мультиферроиков
Результаты этапа: 1. Разработана методика синтеза фосфатов кальция в среде этиленгликоля, заключающийся в медленном добавлении этиленгликольного раствора кислых фосфатов аммония к раствору этиленгликолята Са в диапазоне температур 110–150 °С. 2. Было исследовано взаимодействие в следующих парах: Ca3(PO4)2 (ТКФ) и CoFe2O4 (КФ); Ca3(PO4)2 (ТКФ) и BaTiO3 (БТ); Ca3(PO4)2 (ТКФ) и Na0,5K0,5NbO3 (НКН); Ca3(PO4)2 (ТКФ) и BiFeO3 (ВФ); CoFe2O4 (КФ) и BaTiO3 (БТ); CoFe2O4 (КФ) и Na0,5K0,5NbO3 (НКН); CoFe2O4 (КФ) и BiFeO3 (ВФ). 3. Были изготовлены модельные керамические композиты в виде плотных таблеток, содержащих а) ФК и CoFe2O4, б) ФК и пьезоэлектрик (БТ, ФВ или НКН), в) ФК, CoFe2O4 и пьезоэлектрик. 4. Разработаны архитектуры остеокондуктивных композитных имплантатов на основе гидродинамического и конечноэлементного моделирования. 5. Оценена острая цитотоксичность и матриксные свойства (биосовместимости) композитов. 6. Созданы остеокондуктивные композитные имплантаты с гидрогелевой матрицей методами стереолитографии с двумя архитектурами порового пространства а) Кельвина и б) гироида с разработанными параметрами архитектуры.
2 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Остеокондуктивные матриксы для магнитоуправляемой тканевой инженерии с «умными» элементами на основе композитных мультиферроиков
Результаты этапа: Проведено сравнение способов синтеза трикальцийфосфата β-Са3(РО4)2 (ТКФ) и замещенных фосфатов кальция Ca(3-x)Na2x(PO4)2 (x=0.5 и 1, твердый раствор «А» и натриевый ренанит β-CaNaPO4, соответственно) осаждением и золь-гель методом в среде этиленгликоля (ЭГ). Использованные методы синтеза в среде ЭГ позволяют синтезировать ТКФ и натриевый ренанит. Охарактеризованы фазовый состав и микроморфология порошков синтезированных фосфатов. Субмикронные порошки замещенных ТКФ, синтезированные в неводных средах, предназначены для наполнения гидрогелей на основе ПЭГ-акрилатов вместе с композитными магнитоэлектрическими МЭ-частицами, при формировании остеокондуктивных имплантатов заданной сложной архитектуры методами стереолитографической 3D-печати. Были апробированы разнообразные методы синтеза как отдельно порошков феррита кобальта (ФК), феррита висмута (ФВ), ниобата натрия-калия (НКН), так и композитов, полученных смешением (партикулярных композитов), а также композитов типа ядро (ФК)/оболочка (титанат бария - БТ или НКН). Синтезировать композит ФК/БТ типа ядро/оболочка с размерами ферритного ядра порядка 30 нм и толщиной оболочки из БТ порядка 10 нм. Такие частицы можно считать удовлетворительными для использования в качестве МЭ композитных частиц. Было показано, что при контакте феррита кобальта и фосфатов кальция (гидроксиапатит -ГА, фазы «А», ТКФ) практически не происходит химического взаимодействия при температурах ниже 1000°С. Однако, практически все пьезоэлектрики (в особенности ФВ) в той или иной степени реагируют с фосфатами кальция при температурах ниже 1000°С. Результаты физического моделирования показывают, что именно композитные частицы типа ФК(ядро)/пьезоэлектрик (оболочка) представляют практический интерес для реализации МЭ-эффекта. Созданы модельные композиты с гидрогелевой матрицей в виде дисков, содержащих а) ФК и пьезоэлектрик (БТ или НКН), б) ТКФ, ФК и пьезоэлектрик. Композиты были наполнены как партикулярными МЭ-гранулами, так и МЭ-частицами типа ядро/оболочка. Созданы остеокондуктивные композитные имплантатов, наполненные композитными МЭ-частицами с гидрогелевой матрицей методами стереолитографии с архитектурой порового пространства гироида. Основная проблема печати проистекает из перекрывания спектров поглощения ФК и феррита висмута (ФВ) с основной полосой в спектре светодиодного источника стереолитографического 3D-принтера, что также говорит в пользу использования МЭ-частиц типа ФК(ядро)/ НКН или БТ (оболочка). Моделирование резорбируемости in vitro проведено на основании экспериментов по растворению материалов в растворе лимонной кислоты. ФК, НКН, БТ и ФВ обладают схожей скоростью растворения, почти на порядок меньшей, чем у ГА и ТКФ. По степени растворения в данный момент времени материалы располагаются в следующий ряд: ФК > НКН > БТ ≈ ФВ. Основной вывод данного этапа выполнения проекта: результаты работ настоящего и предыдущего этапа в отношении исследования взаимодействия фаз в парах феррит кобальта (ФК)/пьезоэлектрик и пьезоэлектрик/фосфат кальция, результаты моделирования работы композита ФК/пьезоэлектрик, соотнесение спектров поглощения ФК и феррита висмута (ФВ) с основной полосой в спектре светодиодного источника стереолитографического 3D-принтера, а также достаточная проводимость ФК, приводящая к т.н. токам утечки в композитах с агрегированными частицами ФК, позволяют сделать следующие заключения: 1) в магнитоэлектрическом элементе (МЭ-элементе) в наружном слое (оболочке) должен быть расположен пьезоэлектрик, а во внутренней части (ядре) – магнитостриктор ФК; 2) использование керамической кальцийфосфатной матрицы наталкивается на проблему необходимости низких температур спекания (ниже 1000°С), однако, при таких темпертурах не удастся до конца удалить продукты пиролиза полимера, используемого для 3D-печати. Это указывает на единственный вариант дизайна имплантата: композит с гидрогелевой матрицей на основе ПЭГ-акрилатов, наполненный как МЭ-частицами типа ядро/оболочка, так и частицами резорбируемого фосфата кальция.
3 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Остеокондуктивные матриксы для магнитоуправляемой тканевой инженерии с «умными» элементами на основе композитных мультиферроиков
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы


Имя Описание Имя файла Размер Добавлен
1. Результаты работ 2 этапа rezultatyi_2020.docx 16,4 МБ 13 декабря 2020 [putl]