|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Новые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магнияНИР
New prospects in tissue engineering structures development: bioresorbable osteoconductive ceramics based on magnesium phosphates
- Руководитель НИР: Климашина Е.С.
- Участники НИР: Бирюков А.С., Голубчиков Д.О., Преображенский И.И., Рассолова Ю.Р., Самофалов П.С.
- Подразделение: НИЛ неорганического материаловедения
- Срок исполнения: 29 декабря 2023 г. - 31 декабря 2025 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 24-29-00396
- Номер ЦИТИС: 124022100008-4
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
- Критическая технология России: Компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.17.15 Неорганическая химия
- 61.31.41 Фосфор и его соединения
- 61.45.15 Исследования и разработки в области технологии химико-фармацевтических средств
- 61.45.29 Неорганические лекарственные вещества
-
Ключевые слова:
остеокондуктивность, инженерия костной ткани, стереолитография, механические испытания, резорбируемость, прочность, проницаемость, растворный синтез, фазовая диаграмма, 3d печать, фосфаты магния, фазовый переход, керамика, трещиностойкость, аддитивные технологии
solution synthesis, magnesium phosphates, osteoconductivity, stereolithography, crack resistance, permeability, bone tissue engineering, phase diagram, 3d printing, strength, additive technologies, resorbability, mechanical testing, phase transition, ceramics -
Описание:
Создание нового поколения резорбируемой керамики в качестве основы тканеинженерных конструкций для регенеративной медицины костной ткани на основе магнийсодержащих фосфатов.
-
Abstract:
In this project, the focus of new materials for bone reconstruction is shifted from calcium phosphate materials to magnesium phosphate ceramics. Designing the optimal architecture of such ceramics with regular, interconnected macro-pores and accurately reproducing them in ceramics of a given composition represents a major scientific and technological challenge. It can be answered only in the framework of modern methods of rapid prototyping and new approaches to the development of tissue-engineered structures of a given chemical composition. Scientific novelty is conditioned by prospects and weakly studied magnesium phosphate ceramics as an osteoplastic material. The problem of this application may be defined as creation of a new generation of resorbable ceramics as a base of tissue-engineered structures for regenerative medicine of bone tissue on the basis of magnesium containing phosphates. The materials science aspect is related to the design of the chemical and phase composition of ceramic implants. The requirement for resorbability implies switching to magnesium phosphate-based ceramics, which are more soluble than calcium phosphates. The requirement for implant strength, in terms of mechanics, implies that the magnesium phosphate ceramics will have higher mechanical compressive strength due to both a more perfect microstructure (due to more complete sintering at lower temperatures) and higher theoretical strength as compared to conventional CaP ceramics. The engineering aspect is related to the realization of osteoconductive properties, which are determined by the presence of a cohesive macroporous system (at least 100 µm in size). To manufacture an engineered material with such an architecture with a spatial resolution no worse than 50 µm requires the use of special techniques of additive technologies, in particular, stereolithographic 3D printing.
-
Планируемые результаты:
1. Синтез порошков фосфатов магния: тримагниевого фосфата Mg3(РО4)2 (MgФ), а также других высокомагниевых фосфатов фазовой диаграммы Mg3(РО4)2-Mg2Р2О7, растворным методом синтеза и твердофазным - из струвита, ньюбериита и основного карбоната магния. Будут отработаны методы синтеза, позволяющие получить порошки MgФ с гранулометрией, пригодной для дальнейшего наполнения фотосуспензий для изготовления композитных имплантатов методами 3D-печати, а также для изготовления плотных образцов для отработки получения и исследования спекания керамических материалов. 2. Синтез порошков фосфатов магния золь-гель методом, так как растворный метод приведет к инконгруэнтному осаждению, то такой метод синтеза более перспективен, чем в случае фосфатов кальция, где происходит осаждение гидроксиапатита кальция. 3. Будут апробированы методы синтеза из неводных растворителей, таких как этиленгликоль и спирт. Таким образом, будет отработана методика синтеза порошков фосфатов магния, позволяющая получать порошки с гранулометрией, пригодной для дальнейшего наполнения фотосуспензий для изготовления высокопористых имплантатов методами 3D-печати. 4. Будут уточнены (или построены) разрезы фазовой диаграммы Mg3(РО4)2 – Mg2Р2О7 для понимания выбора условий синтеза и спекания материалов. 4. Создание модельных керамических образцов в виде плотных таблеток, содержащих фосфаты магния. 5. Будут отработаны режимы спекания. Если потребуется, будет подобрана спекающая добавка, например, Ca3(PO4)2, позволяющая попасть в эвтектику при 1100-1280 ºС. Будет исследована их плотность, прочность, фазовый состав продуктов спекания. 6. Подбор архитектуры остеокондуктивных прототипов имплантатов: простейшая решетчатая структура, структура Кельвина, гироид. 7. Создание керамических остеокондуктивных прототипов имплантатов методами стереолитографии с различными архитектурами порового пространства а) Кельвина и б) гироида и др. Будут определены параметры стереолитографической печати (межслоевая разбивка, доза, содержание инициатора и красителя) и режимы обжига и спекания композитов. 9. Изучение механических и функциональных свойств остеокондуктивных имплантатов. Будут проведены механические испытания имплантатов, исследована их растворимость в модельных растворах (лимонная кислота, физиологический раствор, раствор искусственной межтканевой жидкости – SBF). 10. Отбор наиболее удачных остеокондуктивных, биорезорбируемых образцов для дальнейших экспериментов in vitro, in vivo. Таким образом, в результате 1-го года выполнения проекта (2024) будут - синтезированы исходные порошки фосфатов магния различными методами для создания высокопористых керамических материалов - отработаны методики синтеза порошков фосфатов магния, позволяющие получать порошки с гранулометрией, пригодной для дальнейшего наполнения фотосуспензий для изготовления высокопористых материалов методами 3D-печати. - уточнены (или построены) разрезы фазовой диаграммы Mg3(РО4)2 – Mg2Р2О7 для понимания выбора условий синтеза и спекания материалов - определены условия изготовления керамики - начата работа по созданию модельных (плотных) керамических образцов из фосфатов магния - исследована плотность, прочность спечённой керамики, определен фазовый состав продуктов спекания - подбор архитектуры остеокондуктивных образцов -начата работа по созданию остеокондуктивных керамик методами стереолитографии.
-
Научный задел:
Исследования и разработка способов получения различных фосфатов кальция в виде порошков, гранул, композиционных материалов, моно- и многофазной керамики, составов с вяжущими свойствами на основе гидроксиапатита, трикальцийфосфата, пирофосфата кальция – предмет активной разработки материаловедов - участников коллектива, деятельность которых была поддержана в рамках ряда научно-исследовательских проектов. Исследования, направленные на совершенствование качества порошковых систем предназначенных для получения керамических резорбируемых материалов, в том числе и сложной формы поддержаны рядом проектов РФФИ 2012-2014 года. Члены коллектива имеют опыт в области получения макропористых керамических матриксов с улучшенными прочностными характеристиками на основе Са3-хМ2х(РО4)2 (М=Na, K), в том числе с использованием технологии 3-х мерной печати (НМСУС МГУ 013-09 «Имплантаты на основе нового поколения синтетических реакционно-связанных и керамических фосфатно-кальциевых материалов, полученные различными методами формования»). Имея за плечами законченный проект РНФ 17-79-20427 «Остеокондуктивные композиты на основе фотополимеризованных гидрогелей с заданными вязко-упругими свойствами, изготовленные при помощи стереолитографической 3D-печати для персонализированной реконструкции костной ткани», автор проекта получил практический опыт применения стереолитографической 3D-печати для создания остеокондуктивных композитов для реконструкции костной ткани. Результаты работ опубликованы более чем в 50 статьях в рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах, доложены на отечественных и зарубежных конференциях, на технические решения получены патенты РФ (см. профиль руководителя проекта в системе «Истина» http://istina.msu.ru/profile/alenakovaleva/, исполнителей https://istina.msu.ru/profile/preo.ilya/, https://istina.msu.ru/profile/ArtBeer/, https://istina.msu.ru/profile/RassolovaYR/).
-
Основные результаты:
В результате выполнения проекта будут: - завершены работы по созданию модельных (плотных) образцов керамики - созданы остеокондуктивные керамические материалы методами стереолитографии с двумя архитектурами порового пространства - исследованы механические и функциональные свойства изготовленных на предыдущих этапах остеокондуктивных и плотных материалов - Даны рекомендации по дальнейшему использованию in vitro и in vivo. Полученные результаты будут представлены на отечественных и международных конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов, 2024, 2025 г.»; XIV-XV Конференция молодых учёных по общей и неорганической химии; XXXIV-XXXV Всероссийский Менделеевский конкурс студентов-химиков; IX Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее», 2025 г.; IX th, X Conference of the European Ceramic Society, 2024, 2025 г.; The young Ceramists Additive Manufacturing Forum 2024, 2025 г. и др. А также в виде статей в отечественных и зарубежных материаловедческих журналах, например: Неорганические материалы - импакт-фактор РИНЦ=1.204, переводимых издательством Springer (Inorganic materials импакт-фактор=0.907); Перспективные материалы IF=0.416, переводная Inorganic Materials: Applied Research; Стекло и керамика IF=0.575, переводная Glass and Ceramics IF=0.668; Journal of the European Ceramic Society импакт-фактор=3,411 (Q1); ACS Biomaterials Science and Engineering импакт фактор=4.432 (Q1) и других по тематике «керамика» и «биоматериалы». Всего планируется опубликовать не менее 4 статей: 1- 2024 г., 3- 2025 г
- Добавил в систему: Климашина Елена Сергеевна
Соисполнители НИР
| ФГБОУ ВО МГУ имени М.В. Ломоносова, Химический факультет, Кафедра Неорганической химии | Координатор |
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 29 декабря 2023 г.-31 декабря 2024 г. | Новые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магния |
| Результаты этапа: Согласно планам работ на первый год выполнения проекта был предложен новый химический подход для разработки остеоиндуктивных фосфатов магния в качестве костезамещающего материала. Синтезированы порошки фосфатов магния как классическими методами синтеза, твердофазным и растворным, так и новыми разработанными методами пиролиза аэрозолей, золь-гель методом, синтезом из неводных растворителей (этиленгликоля, спирта), которые, после соответствующих физико-химических исследований, были проанализированы на предмет создания высокопористых керамических материалов методами 3D печати. Были определены условия получения фосфатов магния из растворов, где продукты реакции зависят от поддерживаемого pH (pH=9, 7.5-9) и ионного состава (Mg2+, Na+, NH4+) при фиксированных концентрациях, времени проведения и температуре синтеза. Гарантированно получить однофазный ортофосфат магния возможно в результате растворного синтеза из фосфорной кислоты и оксида магния. Так как растворный метод приводит к инконгруэнтному осаждению порошков фосфатов магния, были разработаны другие методы синтеза фосфатов магния, например, золь-гель метод, в результате которого были получены высокоактивные порошковые прекурсоры для создания керамических материалов. Однако получаемые порошки могут содержать остаточный углерод, который начинает удаляться только, начиная с температуры 1000 оС. Метод пиролиза аэрозоля может быть использован для получения мелкодисперсных высокоактивных порошковых прекурсоров заданного состава, которые могут быть использованы для получения мелкокристаллической керамики с высокими прочностными характеристиками. Была проведена апробация методов синтеза из неводных растворителей, таких как 95% этанол C2H5OH и 99,9% этиленгликоль C2H6O2. Так как в неводных растворителях присутствует 0,01-5% воды, а также прекурсоры могут содержать кристаллизационную воду, то данные синтезы нельзя считать полностью безводными. Из-за сложностей контроля параметров синтеза контролировать фазовый состав не представляется возможным. В результате образуются неоднофазовые продукты реакции, после обжига преимущественно состоящие из ортофосфата магния и пирофосфата магния в разном соотношении. Наиболее упоминаемым способом получения ортофосфата магния является твердофазный синтез из оксида и пирофосфата магния. Преимущество этого метода состоит в отсутствии побочных твердофазных продуктов реакции и простоте его осуществления. Чтобы получить однофазный стехиометрический продукт, был осуществлен многостадийный синтез прекурсоров путем высокотерпературного обжига струвита и основного карбоната. Все отработанные методики синтеза порошков фосфатов магния, позволяют получать порошки с гранулометрией, пригодной для дальнейшего наполнения фотосуспензий для изготовления высокопористых керамических материалов методами 3D-печати, среди которых перспективными выглядят твердофазный метод, метод пиролиза аэрозоля и золь-гель метод в силу возможности большего контроля продуктов реакции и отсутствия кристаллизационной воды в структуре, при которой нужна дополнительная термообработка. Литературные данные по фазовым равновесиям в системе Mg3(PO4)2-Mg2P2O7 сильно расходятся. В связи с этим была проведена работа по уточнению квазибинарного разреза фазовой диаграммы данной системы по совокупности данных ДТА и дилатометрического анализа, были выбраны режимы термообработки. Для получения плотных керамических материалов из порошковых составов были отработаны различные режимы спекания, подобрана спекающая добавка, исследована их плотность, фазовый состав продуктов спекания. Показано, что для достижения оптимального результата в некоторых случаях необходимо провести предварительную термообработку порошков, в ходе которой удаляются все газообразные продукты, однако в случае высокотемпературных режимов и длительных временах выдержки различия не существенны. Например, оптимальным вариантом спекания эвтектического состава является использование температуры 1200оС с небольшими временами выдержки (3 часа), при этом плотность возрастает до 95%. Был осуществлен подбор спекающей добавки: при спекании пирофосфата магния при температуре 1100оС в течение 3 часов введение метафосфата (10%) не приводит к уплотнению керамики (плотность ~65%), что может быть связано с конвертацией метафосфата в пирофосфат магния за счет пирогидролиза фосфорной кислоты, а введение ортофосфата (10%) позволяет получить образцы с плотностью около 88%. Обобщение полученных данных даёт основание утверждать, что эвтектический состав - наиболее перспективный для изготовления керамики с высокой плотностью. Механические испытания образцов спеченной керамики из порошков, полученных посредством золь-гель метода, демонстрируют гораздо более высокий предел прочности в 23±3МПа по сравнению с классическим твердофазным методом - 5±1 МПа. Наиболее высокие значения плотности во всех случаях достигаются для материалов, полученных спеканием порошкового прекурсора, синтезированного методом пиролиза аэрозоля. Был проведен подбор архитектуры остеокондуктивных прототипов имплантатов путем варьирования пористости каркаса со значениями 60, 70 и 80%, исследовано три типа структур, ориентированных вдоль направления (100): простейшая решетчатая структура с цилиндрическими каналами, структура Кельвина и односторонний гироид, исследована их проницаемость. Наибольшую проницаемость показывает структура решетчатого типа с прямыми каналами. Структура гироида показывает чуть меньшие значения проницаемости за счет более извилистых пор (спиралевидных). Структура Кельвина продемонстрировала наименьшие значения. Проводили механические испытания при сжатии напечатанных моделей с различной архитектурой порового пространства. Гироид показывает наименьшие прочностные характеристики, решетчатая структура показывает значительно больший предел прочности при пористости 60 и 70%, который, падает до аналогичных значений при 80%. Для структуры Кельвина характерны наивысшие прочностные характеристики при пористости 60%. На основании полученных данных, стоит отметить, что подбор архитектуры прототипа имплантата следует осуществлять для каждого случая индивидуально (персонализировано) с учётом особенностей и характеристик. Полученные фосфаты магния пригодны для создания высокопористых керамических структур для костных имплантатов методом стереолитографической 3D печати. Определены температура и время изготовления (900 ºC, 12 часов) и проведена пробная печать однофазной магнийфосфатной пористой керамики со структурой Кельвина. Все запланированные в отчетном году научные результаты достигнуты. Полученные результаты представлены на отечественных и международных конференциях, а также в виде 1 обзорной статьи в рецензируемом научном журнале Неорганические материалы (Inorganic materials). Ссылка на информационный ресурс в сети Интернет (url-адреса), посвященный проекту: https://istina.msu.ru/projects/631903030/. | ||
| 2 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Новые перспективы в разработке тканеинженерных конструкций: биорезорбируемая остеокондуктивная керамика на основе фосфатов магния |
| Результаты этапа: В результате 2-го года выполнения проекта, в 2025 году, будут: завершены работы по изучению параметров синтеза порошковых прекурсоров, влияющих на их микроморфологию, проведена сравнительный анализ синтеза, золь-гель и пиролиза аэрозоля, выбран наиболее перспективный для 3D печати. - завершены работы по созданию модельных (плотных) образцов керамики для дальнейших механических испытаний и исследована их растворимость в модельных растворах. - определены основные параметры стереолитографической печати для создания остеокондуктивных керамических материалов с заданной архитектурой порового пространтсва. - исследованы механические свойства изготовленных на предыдущих этапах плотных и пористых материалов. Получены механические параметры, такие как, предел прочности, микротвердость, модуль Юнга. - даны рекомендации по дальнейшему использованию in vitro и in vivo. - написан годовой и итоговый отчёт. Полученные результаты будут представлены на отечественных и международных конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2025 г.», г.Москва; XXVIII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием), г. Нижний Новгород; XV Конференция молодых учёных по общей и неорганической химии, г. Москва; XXIII Всероссийская школа-конференция молодых учёных «Актуальные проблемы неорганической химии», Красновидово (Можайский район Московской области); IX Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее»; 10th International Congress on Biomaterials and Biosensors (BIOMATSEN, Turkey; возможно: X Conference of the European Ceramic Society, 2025 г.; The young Ceramists Additive Manufacturing Forum 2025 г. и др. А также в виде статей в отечественных и зарубежных материаловедческих журналах, например: Неорганические материалы - импакт-фактор РИНЦ=1.204, переводимых издательством Springer (Inorganic materials импакт-фактор=0.907); Перспективные материалы IF=0.416, переводная Inorganic Materials: Applied Research; Стекло и керамика IF=0.575, переводная Glass and Ceramics IF=0.668; Journal of the European Ceramic Society импакт-фактор=3,411 (Q1); ACS Biomaterials Science and Engineering импакт фактор=4.432 (Q1), Mendeleev Communication и других по тематике «керамика» и «биоматериалы». Всего будут опубликованы не менее 4 статей: 1- 2024 г., 3- 2025 г. | ||
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".