Тема: «Разработка технологий создания внутрикостных имплантатов с биополимерным покрытием на основе сверхупругих титановых сплавов»
Цель проекта — Разработка технологии получения сплошных, пористых и персонализированных внутрикостных имплантатов на основе сверхупругих безникелевых титановых сплавов на основе системы Ti-Zr-Nb с биополимерным покрытием, с применением методов термомеханической обработки, порошковой металлургии и селективного лазерного сплавления.
Основные результаты, полученные на первом этапе (2017 г.):
1. Подготовлен обзор литературы по тематике исследований;
2. Проведены патентные исследования по ГОСТ р
3. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
4. Разработан план экспериментальных исследований;
5. Разработаны методики подготовки образцов для исследований и испытаний;
6. Разработаны программа и методики исследовательских испытаний биополимерного материала, предназначенного для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
7. Проведена отработка технологии термомеханической обработки слитков большого развеса из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb методом высокотемпературной радиально-сдвиговой прокатки;
8. Проведена отработка технологии термомеханической обработки прокатанных заготовок из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb методом ротационной ковки;
9. Выбраны характеристики и изготовлены экспериментальные образцы сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb для нанесения покрытий и биологических исследований;
10. Разработана оптимальная композиция биополимерного материала для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов и исследование физико-химических свойств биополимерного материала;
11. Исследована морфология поверхности экспериментальных образцов сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
12. Проверена биосовместимость полимерного покрытия in vitro, в том числе исследование адгезии, пролиферации (методом КЛСМ) и жизнеспособности остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности пленок из биополимерного материала;
13. Получены экспериментальные образцы прутков заданного сечения из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb с применением комбинированной ТМО методами радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки;
14. Проведена аттестация экспериментальных образцов слитков большого развеса из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb (определение химического состава и оценка однородности экспериментальных образцов);
15. Проведена аттестация экспериментальных образцов прутковых заготовок из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb (оценка качества структуры и геометрии экспериментальных образцов);
16. Проведено физическое моделирование процессов горячей деформации сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb с использованием комплекса физического моделирования GLEEBLE;
17. Проведено моделирование и подбор параметров селективного лазерного сплавления сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
18. Получены экспериментальные образцы биополимерного материала для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов;
19. Получены экспериментальные образцы биополимерного материала в виде пленок;
20. Исследована пролиферация (с помощью МТТ-теста) остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности пленок из биополимерного материала;
21. Получены слитки большого развеса из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb оптимальных составов методами вакуумной плавки;
Основные результаты, полученные на этапе 2 (2018 г.):
1. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р
2. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний, план экспериментальных исследований, методики подготовки образцов сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
3. Разработаны программа и методики исследовательских испытаний биополимерного материала, предназначенного для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
4. Отработана технология термомеханической обработки слитков большого развеса из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb методом высокотемпературной радиально-сдвиговой прокатки;
5. Отработана технология термомеханической обработки прокатанных заготовок из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb методом ротационной ковки;
6. Выбраны характеристики и изготовлены экспериментальные образцы сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb для нанесения покрытий и биологических исследований;
7. Разработана оптимальная композиция биополимерного материала для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов и исследование физико-химических свойств биополимерного материала;
8. Исследована морфология поверхности экспериментальных образцов сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
9. Проверена биосовместимость полимерного покрытия in vitro, в том числе исследование адгезии, пролиферации (методом КЛСМ) и жизнеспособности остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности пленок из биополимерного материала;
10. Получены экспериментальные образцы прутков заданного сечения из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb с применением комбинированной ТМО методами радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки;
11. Проведена аттестация экспериментальных образцов слитков большого развеса из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb (определение химического состава и оценка однородности экспериментальных образцов);
12. Проведена аттестация экспериментальных образцов прутковых заготовок из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb (оценка качества структуры и геометрии экспериментальных образцов);
13. Проведено физическое моделирование процессов горячей деформации сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb с использованием комплекса физического моделирования GLEEBLE;
14. Проведено моделирование и подбор параметров селективного лазерного сплавления сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb;
15. Получены экспериментальные образцы биополимерного материала для нанесения покрытия на экспериментальные образцы сверхупругих сплавов;
16. Получены экспериментальные образцы биополимерного материала в виде пленок;
17. Исследована пролиферация (с помощью МТТ-теста) остеобластоподобных клеток MG-63 на поверхности пленок из биополимерного материала;
18. Получены слитки большого развеса из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb оптимальных составов методами вакуумной плавки;
19. Исследовано влияние термомеханической обработки на структуру и механические свойства прутков из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb.
20. Отработана технология производства и получены образцы пористого материала из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb методом порошковой металлургии, исследованы их структура и механические свойства.
21. Отработана методика резки пеноматериалов из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb, полученных методами порошковой металлургии.
22. Отработана методика покрытия экспериментальных образцов титановых сплавов биополимерным материалом, определена толщина покрытия.
23. Исследована в экспериментах in vitro биосовместимость и остеоиндуктивная активность экспериментальных образцов титановых сплавов, отобранных на 1 этапе.
24. Разработана технологическая схема и режимы термомеханической обработки сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb для получения длинномерных прутков с высоким комплексом механических свойств.
25. Исследованы возможности модификации внутренней поверхности пеноматериалов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb методом динамического химического протравливания.
26. Выбраны экспериментальные образцы титановых сплавов с нанесенным биополимерным покрытием для биологических исследований, исследована морфология их поверхности.
27. Отработана технология производства сплошного материала из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb методом селективного лазерного сплавления, получены экспериментальные образцы, изучены их структура и механические свойства.
28. Получен экспериментальный образец слитка из сверхупругого сплава на основе Ti-Zr-Nb для порошковой металлургии.
29. Проведены получение и аттестация (оценка качества) порошка из слитков из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb.
30. Разработаны технические требования для экспериментальных образцов балок из сверхупругого сплава на основе Ti-Zr-Nb для систем транспедикулярной фиксации позвоночника.
31. Разработаны технические требования для прототипа спинального кейджа с биополимерным покрытием из сверхупругого сплава на основе Ti-Zr-Nb, полученного методом порошковой металлургии и селективного лазерного сплавления.
На заключительном этапе 3 (2019 г.) осуществлена разработка технологии получения длинномерных (не менее 2000 мм) прутков из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb для внутрикостных имплантатов с помощью ТМО методами РСП и РК. По разработанной технологии на базе научно-промышленного центра кафедры ОМД НИТУ «МИСиС» была изготовлена опытно-промышленная партия длинномерных прутков из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb заданных размеров, соответствующих требованиям ТЗ.
Выполнена разработка технологии получения сплошного материала из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb для внутрикостных имплантатов методом селективного лазерного сплавления, включающая режимы селективного лазерного спекания и термической обработки.
Выполнена разработка технологии производства пористого материала из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb для внутрикостных имплантатов методами порошковой металлургии.
В результате выполнения работ заключительного этапа проекта была разработана Лабораторная методика получения биополимерных покрытий двух типов, содержащих отобранное лекарственное вещество с остеоиндуктивной и антибактериальной активностью с использованием данной методики для проведения сравнительных исследовательских испытаний были наработаны следующие образцы — Экспериментальные образцы сплавов на основе Ti-Zr-Nb с пористостью 50%, покрытые биополимерным материалом — поли-3-оксибутиратом (ПОБ) с молекулярной массой 3,64×105, с содержанием биополимерного материала в 2,4±0,3% (вес.) с содержанием в биополимерном покрытии лекарственного вещества с остеоиндуктивной активностью — симвастатином, 5,0±0,5% (вес.) и Экспериментальные образцы сплавов на основе Ti-Zr-Nb с пористостью 50%, покрытые биополимерным материалом — поли-3-оксибутиратом (ПОБ) с молекулярной массой 3,64×105, с содержанием биополимерного материала в 2,4±0,3% (вес.) и содержанием в биополимерном покрытии лекарственного вещества с антибактериальной активностью — левофлоксацином, 5,0±0,5% (вес.). Были проведены исследования морфологии поверхности в процессе его деградации in vitro. По результатам исследований было установлено, что на качественном уровне поверхность биополимерного покрытия в процессе деградации in vitro практически не изменяется на протяжении довольно длительного периода (до 3 месяцев), т.е. покрытие является стабильным как в отношении связи с поверхностью образцов, так и в плане сохранения своей структуры.
Проведены сравнительные исследовательские испытания экспериментальных образцов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb без покрытия, с биополимерным покрытием и биополимерным покрытием, содержащим низкомолекулярное лекарственное вещество с остеоиндуктивной и антибактериальной активностью.
Таким образом, было установлено, что полученные экспериментальные образцы сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb и разработанная композиция биополимерного материала для нанесения покрытия на экспериментальные образцы, в том числе и содержащих низкомолекулярные лекарственные вещества с остеоиндуктивной и антибактериальной активностью, являются биосовместимыми. А нанесение биополимерных покрытий из поли-3-оксибутиратом (ПОБ) с молекулярной массой 3,64×105, с содержанием биополимерного материала в 2,4±0,3% (вес.) и содержанием в биополимерном покрытии лекарственного вещества с антибактериальной активностью — левофлоксацина и лекарственного вещества с остеоиндуктивной активностью — симвастатина, на образцы сплавов улучшает биосовместимость и остеоидуктивные свойства экспериментальных образцов из сплавов на основе Ti-Zr-Nb.
Разработанные экспериментальные образцы сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb с биополимерным покрытием и биополимерным покрытием, содержащим низкомолекулярное лекарственное вещество полностью соответствуют требованиям, установленным в Техническом задании.
В завершении проекта были разработаны лабораторные регламенты на изготовление на площадке Индустриального партнера:
— экспериментальных образцов балок для систем транспедикулярной фиксации позвоночника из длинномерных прутков из сплава Ti-Zr-Nb;
— прототипа спинального кейджа с биополимерным покрытием методом порошковой металлургии;
— прототипа спинального кейджа с биополимерным покрытием методом СЛС;
— экспериментального образца персонализированного медицинского изделия методом селективного лазерного сплавления.
В результате применения разработанных технологий лабораторных регламентов и методик были изготовлены заявленные изделия и проведены следующие испытания:
— сравнительные стандартизированные испытаний сборки
— сравнительные стандартизированные испытания спинального кейджа из пористого материала на основе Ti-Zr-Nb;
— сравнительные испытания персонализированного спинального кейджа из сплава основе Ti-Zr-Nb.
