Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СКАФФОЛДОВ С МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЯГКИХ ТКАНЕЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. Биодеградируемые полимерные скаффолды с модифицированной
поверхностью для восстановления мягких тканей 15
1.1. Дефекты мягких тканей 15
1.2. Тканеинженерный подход при лечении заболеваний мягких тканей . 17
1.3. Свойства полимолочной кислоты 18
1.4. Технологии изготовления полимерных скаффолдов 22
1.4.1. Мокрое прядение 23
1.4.2. Экструзия 24
1.4.3. Аэродинамическое формование 26
1.4.4. Электроспиннинг 28
1.5. Методы модифицирования поверхности полимерных медицинских
изделий 31
1.5.1. Свойства и примеры применений пленок оксинитрида титана в
области биомедицины 31
1.6. Обзор плазменных технологий получения оксинитридых покрытий. 34
1.6.1. Дуговое испарение 35
1.6.2. Испарение электронным пучком 37
1.6.3. Импульсное лазерное напыление 39
1.6.4. Методы магнетронного распыления 41
1.7. Постановка цели и задач исследования 45
2. Методология работы, материалы и методы исследований 47
2.1. Методология работы 47
2.2. Методика эксперимента 47
2.2.1. Формирование биодеградируемых скаффолдов 47
2.2.2. Термический отжиг 48
2.2.3. Модифицирование скаффолдов в плазме магнетронного разряда 50
2.3. Исследование физико-химических свойств полученных материалов 52
2.3.1. Оптический спектр плазмы 52
2.3.2. Сканирующая электронная микроскопия 53
2.3.3. Атомно-силовая микроскопия 54
2.3.4. Рентгено-флуоресцентный анализ 55
2.3.5. Рентгено-структурный анализ 56
2.3.6. ИК-Фурье спектроскопия 57
2.3.7. Смачиваемость 59
2.3.8. Исследование механических свойств скаффолдов 59
2.3.9. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 60
2.3.10. Теория функционала плотности 61
2.4. Исследование биологических свойств 62
2.4.1. Клеточные исследования 62
2.4.2. Исследование гистологических срезов 63
2.5. Статистическая обработка данных 65
3. Исследование структуры и свойств ПМК скаффолдов с Ti-O-N
покрытиями 66
3.1. Подбор режимов 66
3.1.1. Подбор параметров мощности 66
3.1.2. Введение режима ионной очистки мишени 68
3.1.3. Исследование влияния среднего диаметра волокон 69
3.1.4. Выводы 73
3.2. Оптический спектр плазмы 74
3.3. Сканирующая электронная микроскопия 75
3.4. Исследование волокон ПМК скаффолдов и толищны покрытия на них
методом АСМ 78
3.5. Энергодисперсионный анализ 81
3.6. Рентгено-флуоресцентный анализ 83
3.7. Рентгено-структурный анализ (РСА) 84
3.7.1. Влияние термического отжига на кристаллическую структуру
ПМК скаффолдов 86
3.8. ИК-фурье спектроскопия 87
3.9. Смачиваемость 89
3.10. Исследование механических свойств скаффолдов 91
3.11. Выводы по главе 3 93
4. Исследование механизмов формирования Ti-O-N покрытий на
поверхности ПМК скаффолдов 95
4.1. Рентгеновская фотоэлеткронная спектроскопия 95
4.2. Расчет деструкции полимерных цепей ПМК методом функционала
плотности 99
4.3. Выводы по главе 4 104
5. Исследование биологических свойств ПМК скаффолдов с Ti-O-N покрытиями 105
5.1. Исследования in vitro на культуре эндотелиальных клеток пупочной
вены человека 105
5.2. Исследования in vivo гистологических срезов 107
5.3. Использование биодеградируемых полимерных скаффолдов с модифицированной поверхностью для восстановления мягких тканей .... 113
5.4. Выводы по главе 5 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 121
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ А АКТ ВНЕДРЕНИЯ В НАУЧНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 149
ПРИЛОЖЕНИЕ Б АКТ ВНЕДРЕНИЯ В НАУЧНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 150
ПРИЛОЖЕНИЕ В МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ НА РАЗРАБОТКУ НЕТКАНЫХ ПМК СКАФФОЛДОВ С
МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Г РЕЗУЛЬТАТ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ «КОММЕРЧЕСКАЯ ТАЙНА» 152
ПРИЛОЖЕНИЕ Д АКТ ВНЕДРЕНИЯ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЙ
ПРОЦЕСС РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 153
1. Биодеградируемые полимерные скаффолды с модифицированной
поверхностью для восстановления мягких тканей 15
1.1. Дефекты мягких тканей 15
1.2. Тканеинженерный подход при лечении заболеваний мягких тканей . 17
1.3. Свойства полимолочной кислоты 18
1.4. Технологии изготовления полимерных скаффолдов 22
1.4.1. Мокрое прядение 23
1.4.2. Экструзия 24
1.4.3. Аэродинамическое формование 26
1.4.4. Электроспиннинг 28
1.5. Методы модифицирования поверхности полимерных медицинских
изделий 31
1.5.1. Свойства и примеры применений пленок оксинитрида титана в
области биомедицины 31
1.6. Обзор плазменных технологий получения оксинитридых покрытий. 34
1.6.1. Дуговое испарение 35
1.6.2. Испарение электронным пучком 37
1.6.3. Импульсное лазерное напыление 39
1.6.4. Методы магнетронного распыления 41
1.7. Постановка цели и задач исследования 45
2. Методология работы, материалы и методы исследований 47
2.1. Методология работы 47
2.2. Методика эксперимента 47
2.2.1. Формирование биодеградируемых скаффолдов 47
2.2.2. Термический отжиг 48
2.2.3. Модифицирование скаффолдов в плазме магнетронного разряда 50
2.3. Исследование физико-химических свойств полученных материалов 52
2.3.1. Оптический спектр плазмы 52
2.3.2. Сканирующая электронная микроскопия 53
2.3.3. Атомно-силовая микроскопия 54
2.3.4. Рентгено-флуоресцентный анализ 55
2.3.5. Рентгено-структурный анализ 56
2.3.6. ИК-Фурье спектроскопия 57
2.3.7. Смачиваемость 59
2.3.8. Исследование механических свойств скаффолдов 59
2.3.9. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 60
2.3.10. Теория функционала плотности 61
2.4. Исследование биологических свойств 62
2.4.1. Клеточные исследования 62
2.4.2. Исследование гистологических срезов 63
2.5. Статистическая обработка данных 65
3. Исследование структуры и свойств ПМК скаффолдов с Ti-O-N
покрытиями 66
3.1. Подбор режимов 66
3.1.1. Подбор параметров мощности 66
3.1.2. Введение режима ионной очистки мишени 68
3.1.3. Исследование влияния среднего диаметра волокон 69
3.1.4. Выводы 73
3.2. Оптический спектр плазмы 74
3.3. Сканирующая электронная микроскопия 75
3.4. Исследование волокон ПМК скаффолдов и толищны покрытия на них
методом АСМ 78
3.5. Энергодисперсионный анализ 81
3.6. Рентгено-флуоресцентный анализ 83
3.7. Рентгено-структурный анализ (РСА) 84
3.7.1. Влияние термического отжига на кристаллическую структуру
ПМК скаффолдов 86
3.8. ИК-фурье спектроскопия 87
3.9. Смачиваемость 89
3.10. Исследование механических свойств скаффолдов 91
3.11. Выводы по главе 3 93
4. Исследование механизмов формирования Ti-O-N покрытий на
поверхности ПМК скаффолдов 95
4.1. Рентгеновская фотоэлеткронная спектроскопия 95
4.2. Расчет деструкции полимерных цепей ПМК методом функционала
плотности 99
4.3. Выводы по главе 4 104
5. Исследование биологических свойств ПМК скаффолдов с Ti-O-N покрытиями 105
5.1. Исследования in vitro на культуре эндотелиальных клеток пупочной
вены человека 105
5.2. Исследования in vivo гистологических срезов 107
5.3. Использование биодеградируемых полимерных скаффолдов с модифицированной поверхностью для восстановления мягких тканей .... 113
5.4. Выводы по главе 5 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 121
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 122
ПРИЛОЖЕНИЕ А АКТ ВНЕДРЕНИЯ В НАУЧНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 149
ПРИЛОЖЕНИЕ Б АКТ ВНЕДРЕНИЯ В НАУЧНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 150
ПРИЛОЖЕНИЕ В МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ НА РАЗРАБОТКУ НЕТКАНЫХ ПМК СКАФФОЛДОВ С
МОДИФИЦИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ Г РЕЗУЛЬТАТ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ «КОММЕРЧЕСКАЯ ТАЙНА» 152
ПРИЛОЖЕНИЕ Д АКТ ВНЕДРЕНИЯ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЙ
ПРОЦЕСС РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 153
Актуальность работы. Повреждения мягких тканей, имеющих сложную структуру, нарушают условия поддержания гомеостаза в организме. Для сокращения сроков реабилитации пациентов с такими травмами современной регенеративной (восстановительной) медицине требуются тканеинженерные конструкции на основе новых медицинских материалов, являющиеся альтернативой трансплантатам. Потребность в таких материалах, восполняющих тканевый дефицит, стимулировала развитие технологий создания искусственных структур, называемых
скаффолдами. Скаффолды для регенерации мягких тканей должны
представлять собой пористые, трехмерные, волокнистые материалы,
имитирующие внеклеточный матрикс (ВКМ) и обеспечивающие механический каркас для выращивания клеток. Их имплантация позволяет успешно замещать дефекты тканей и органов за счет клеточного материала самого пациента или донора и эффективно восстанавливать утраченные функции. Однако к скаффолдам предъявляются определенные медикотехнические требования по механической прочности, биосовместимости, наличию гидрофильной поверхности, способствующей адгезии и пролиферации клеток. Для изготовления скаффолдов широко используются природные и синтетические полимеры, а также их композиции.
Одним из перспективных материалов для создания волокнистых скаффолдов является полимолочная кислота (ПМК) [1, 2], используемая для изготовления резорбируемых стентов [3, 4], искусственных сосудистых графтов [5, 6], тканеинженерных конструкций [7]. Для переработки ПМК в нетканые скаффолды наиболее перспективным методом является электроформование (электроспинниг) [8], для которого характерны относительно простая техническая реализация, возможность в широких пределах манипулировать составом и структурой формируемого материала, а также изготавливать изделия с различным формфактором [9-11].
Основным недостатком скаффолдов, изготовленных методом электроспиннинга из ПМК, является низкая скорость деградации, отсутствие на поверхности реакционноспособных групп и высокая гидрофобность [12], что в свою очередь снижает адгезию и пролиферацию клеток [13, 14], ограничивая область применения ПМК-скаффолдов при восстановлении дефектов, терапии и реабилитации утраченных функций мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи.
Степень разработанности темы. Известно, что нанесение тонких пленок на основе оксинитридов титана на поверхность металлических стентов позволяет изменять физико-химические свойства их поверхности, стимулируя процессы клеточной адгезии, пролиферации и дифференцировки. Кроме того, покрытия оксинитрида титана обладают бактерицидными свойствами, что позволяет снизить риск повторного тромбобразования [15-17]. Указанные выше обстоятельства позволяют предположить, что формирование таких покрытий на поверхности ПМК-скаффолдов позволит улучшить их биосовместимость и будет способствовать их клиническому применению в тканевой инженерии с целью терапии, реабилитации и восстановления утраченных функций мягких тканей.
Для формирования тонких пленок на основе оксинитридов титана в настоящее время широко применяются различные ионно-плазменные методы. Например, реактивное магнетронное распыление позволяет в широких пределах варьировать свойства получаемого покрытия, изменяя такие параметры процесса, как состав рабочего газа, материал распыляемой мишени, мощность разряда и т. д. [17, 18]. Однако известно, что термическое и радиационное воздействие плазмы магнетронного разряда на полимерный материал сопровождается его деструкцией [19], что может отрицательно сказываться на биосовместимости [20].
В настоящее время как отечественными, так и зарубежными научными коллективами ведутся активные исследования и разработка нетканых скаффолдов на основе различных биорезорбируемых материалов. Существенный вклад в развитие данного научного направления внесли проф. Р. Морент из Гентского университета (Бельгия), Сяохуа Лю из Мичиганского университета (США). В Томском политехническом университете это направление развивает Научно-образовательный центр Б. П. Вейнберга ИЯТШ. В Томском государственном университете под руководством д. ф.- м. н. И. А. Курзиной проводятся исследования свойств волокнистых и композитных материалов с модифицированной поверхностью. В Национальном исследовательском технологическ ом университете МИСиС под руководством д. ф.-м. н., профессора Д. В. Штанского и в Университете ИТМО под руководством д. т. н., профессора М. В. Успенской ведутся комплексные исследования физико-химических и медико-биологических свойств скаффолдов.
Обзор литературы демонстрирует малое количество исследований, направленных на изучение структуры и свойств тонких покрытий на основе оксинитридов титана, сформированных на поверхности ПМК-скаффолдов методом магнетронного напыления, а также влияния плазменной обработки на их структуру, физико-химические и биологические свойства.
Цель работы: разработка биодеградируемых полимерных скаффолдов с модифицированной поверхностью для восстановления утраченных функций мягких тканей.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. выбрать материалы для изготовления нетканых полимерных
скаффолдов;
2. выбрать метод изготовления нетканых скаффолдов и метод
модифицирования их поверхности с целью улучшения биосовместимости;
3. разработать медико-технические требования к нетканым
биорезорбируемым скаффолдам с модифицированной поверхностью для регенеративной медицины мягких тканей;
4. разработать и отработать режимы модифицирования нетканых ПМК скаффолдов путем формирования покрытий методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота;
5. исследовать физико-химические свойства ПМК-скаффолдов, не
модифицированных и модифицированных методом реактивного
магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота;
6. установить влияние модифицирования нетканых ПМК-скаффолдов на их медико-биологические свойства в условиях in vitro и in vivo;
7. провести комплексный анализ полученных экспериментальных данных.
Научная новизна:
1. Разработаны режимы модифицирования поверхности ПМК- скаффолдов методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота, достоверно не изменяющие их линейные размеры, средний размер кристаллитов и механические свойства.
2. Показано, что воздействие плазмы магнетронного разряда, возникающей при распылении титановой мишени в атмосфере азота при выбранных режимах, приводит к гидрофилизации поверхности биодеградируемых ПМК-скаффолдов, что способствует улучшению их биосовместимости.
3. Предложен механизм формирования на поверхности ПМК-скаффолдов покрытий, которые имеют переменный химический состав, включающий соединения оксидов (TixOy) и оксинитридов (TiOxNy) титана, что обусловлено процессами взаимодействия адсорбированной воды и полимерных радикалов, возникающих при разрушении связей C-O и O-C=O, с материалом распыляемой мишени, молекулами и атомами рабочего газа.
4. Показано, что модифицированные ПМК-скаффолды обладают
большим на 45 % показателем адгезии культуры эндотелиальных клеток пупочной вены человека, клетки приобретают вытянутую форму и располагаются вдоль поверхности волокон, что способствует их заселению в скаффолды.
5. Медицинскими исследованиями подтверждено, что при in vivo подкожной имплантации модифицированных ПМК-скаффолдов в мягких тканях наблюдаются невысокая активность воспалительных процессов, замещение скаффолдов соединительной тканью и образование в прилегающих тканях множества кровеносных сосудов. С увеличением времени модифицирования скаффолдов ускоряется их биологическая деградация и увеличивается степень биоинтеграции с живыми тканями.
Теоретическая значимость. Результаты диссертационной работы расширяют представления о взаимодействии плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, с поверхностью биорезорбируемых ПМК-скаффолдов, а предложенный на их основе механизм формирования тонкопленочного покрытия на полимерных ПМК-скаффолдах вносит вклад в фундаментальную теорию о взаимодействии полимерных материалов с ионизирующим излучением.
Установлена зависимость между временем плазменного модифицирования и скоростью деградации скаффолда in vivo.
Практическая значимость работы. Установленные закономерности влияния плазмы DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, на структурно -морфологические и физико-химические свойства биорезорбируемых ПМК-скаффолдов позволяют эффективно модифицировать такие материалы с целью получения высокой гидрофильности поверхности и контролируемых параметров деградации in vivo. Изготовленные методом электроформования ПМК- скаффолды, модифицированные в плазме DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, могут быть использованы в качестве материалов тканеинженерных конструкций и систем для терапии, реабилитации и восстановления утраченных функций при восстановлении мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи. Модифицирование скаффолдов способствует их заселению клетками, замещению соединительной тканью и образованию в прилегающих тканях множества кровеносных сосудов, что приводит к сокращению сроков реабилитации.
По результатам работы разработан РИД - секрет производства (ноу- хау).
Объект исследования. ПМК-скаффолды, изготовленные методом электроспиннинга, с поверхностью, модифицированной методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени на постоянном токе (DC-режим) в атмосфере азота, используемые в качестве тканеинженерных конструкций при терапии, реабилитации и восстановлении утраченных функций мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи.
Предмет исследования. Физико-химические и медико-биологические свойства ПМК-скаффолдов, изготовленных методом электроспиннинга, с тонкими покрытиями на основе оксинитридов титана, сформированными на их поверхности методом реактивного магнетронного распыления, для применения в тканевой инженерии при терапии, реабилитации и восстановлении утраченных функций мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи.
Методы исследования и методология работы. Для изучения морфологии, структуры и элементного состава исследуемых материалов в диссертационной работе применялись следующие методы исследований: сканирующая электронная микроскопия, рентгенофлуоресцентный и рентгеноструктурный анализы, ИК-Фурье спектроскопия, оптическая гониометрия. Кроме того, были проведены исследования механических характеристик (относительное удлинение, модуль Юнга, прочность). Для изучения химического состава покрытий использовалась рентгеновская
11 фотоэлектронная спектроскопия, для объяснения механизмов формирования тонкопленочных покрытий на полимерных скаффолдах - моделирование методом функционала плотности. Медико-биологические исследования скаффолдов с тонкими покрытиями на основе оксинитридов титана были проведены с использованием метода in vitro на клеточной культуре эндотелиальных клеток пупочной вены человека и в экспериментах in vivo с использованием лабораторных мышей. Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием программного пакета Statistica 7.0.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технологические режимы модифицирования поверхности ПМК- скаффолдов путем магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота, включающие в себя удельную мощность разряда 0,4 Вт/см2 и длительность модифицирования до 8 минут, позволяют достоверно сохранить их геометрические размеры и механические свойства.
2. Биодеградируемые ПМК-скаффолды с модифицированной
поверхностью при выбранных режимах характеризуются средним диаметром волокон 2,2 ± 0,3 мкм, низким краевым углом смачивания, 46 ± 10°, и средним размером кристаллитов 16 ± 1 нм.
3. Механизм формирования на поверхности нетканых ПМК -скаффолдов
однородных покрытий из плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, основан на взаимодействии адсорбированной воды и полимерных радикалов, образующихся при разрушении
связей C-O и O-C=O, с материалом распыляемой мишени, молекулами и атомами рабочего газа.
4. Модифицирование ПМК-скаффолдов приводит к заселению клеток в их объем, увеличению показателя адгезии культуры эндотелиальных клеток пупочной вены человека на их поверхности на 45 %, замещению
их соединительной тканью с образованием множества кровеносных сосудов. При этом с увеличением времени модифицирования скаффолдов ускоряется их биологическая деградация и увеличивается степень биоинтеграции с живыми тканями.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались при проведении медицинских исследований: в
доклинических экспериментах in vitro в ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России, экспериментах in vivo в ФГБНУ «Научноисследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», в НОЦ Б.П. Вейнберга ТПУ при выполнении научных проектов, а также при изучении раздела «Физические принципы модифицирования материалов биомедицинского назначения. Свойства, приобретаемые материалами в процессе модифицирования» в рамках дисциплины «Плазменные технологии в биологии и медицине» при подготовке магистров по специальности 14.03.02 «Ядерные физика и технологии».
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обусловлены применением современных высокоточных и высокотехнологичных приборов и методов исследований, сопоставлением полученных результатов с уже опубликованными результатами в релевантных научных литературных источниках.
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментальных работ, в получении и обработке экспериментальных результатов, которые представлены в качестве тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях, статей в российских и зарубежных журналах. Постановка задач, обсуждение результатов исследований, а также формулирование научных положений, выносимых на защиту, осуществлялись совместно с научным руководителем канд. ф.-м. наук, доцентом С. И. Твердохлебовым. Работы по формированию ПМК-
13 скаффолдов методом электроспиннинга проводились совместно с канд. техн. наук Е. Н. Больбасовым. Соавторы, проводившие медико-биологические исследования, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации.
Диссертационная работа выполнена в рамках следующих проектов и договоров: ФЦП, Соглашение № 14.578.21.0031 от 05.06.2014, «Разработка композитных имплантатов для реконструктивно-восстановительной
хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля»; ФЦП, Соглашение № 14.575.21.0140 от 26.09.2017, «Разработка остеостимулирующих имплантатов на основе гибридных технологий модифицирования их поверхности и компьютерного моделирования выхода лекарственных препарат ов для персонализированной медицины при политравме и онкологии»; ВИУ-НОЦ Б.П. Вейнберга- 196/2020 «Разработка прототипов медицинских изделий на основе гибридных и композиционных материалов с терапевтическим эффектом для лечения различных нозологий»; РФФИ 20-32-90133 «Аспиранты» «Исследование влияния плазмы DC магнетронного разряда на физикохимические свойства биорезорбируемых скаффолдов для регенеративной медицины»; Контракт № 18.08-152/2018К с LLC «Koatum» (Латвия) «Разработка технологических режимов нанесения гибридных покрытий на экспериментальные имплантаты с шероховатыми и полированными поверхностями».
Апробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: The 7th and 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, Россия, 2020, 2022), 21st International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams (Томск, Россия, 2021), XIX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, Россия, 2021), Международная научно-практическая конференция «Разработка лекарственных средств - традиции и перспективы» (Томск, Россия, 2021).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 213 источников. Полный объем работы - 153страницы, в том числе 33 рисунка, 15 таблиц и 5 приложений.
скаффолдами. Скаффолды для регенерации мягких тканей должны
представлять собой пористые, трехмерные, волокнистые материалы,
имитирующие внеклеточный матрикс (ВКМ) и обеспечивающие механический каркас для выращивания клеток. Их имплантация позволяет успешно замещать дефекты тканей и органов за счет клеточного материала самого пациента или донора и эффективно восстанавливать утраченные функции. Однако к скаффолдам предъявляются определенные медикотехнические требования по механической прочности, биосовместимости, наличию гидрофильной поверхности, способствующей адгезии и пролиферации клеток. Для изготовления скаффолдов широко используются природные и синтетические полимеры, а также их композиции.
Одним из перспективных материалов для создания волокнистых скаффолдов является полимолочная кислота (ПМК) [1, 2], используемая для изготовления резорбируемых стентов [3, 4], искусственных сосудистых графтов [5, 6], тканеинженерных конструкций [7]. Для переработки ПМК в нетканые скаффолды наиболее перспективным методом является электроформование (электроспинниг) [8], для которого характерны относительно простая техническая реализация, возможность в широких пределах манипулировать составом и структурой формируемого материала, а также изготавливать изделия с различным формфактором [9-11].
Основным недостатком скаффолдов, изготовленных методом электроспиннинга из ПМК, является низкая скорость деградации, отсутствие на поверхности реакционноспособных групп и высокая гидрофобность [12], что в свою очередь снижает адгезию и пролиферацию клеток [13, 14], ограничивая область применения ПМК-скаффолдов при восстановлении дефектов, терапии и реабилитации утраченных функций мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи.
Степень разработанности темы. Известно, что нанесение тонких пленок на основе оксинитридов титана на поверхность металлических стентов позволяет изменять физико-химические свойства их поверхности, стимулируя процессы клеточной адгезии, пролиферации и дифференцировки. Кроме того, покрытия оксинитрида титана обладают бактерицидными свойствами, что позволяет снизить риск повторного тромбобразования [15-17]. Указанные выше обстоятельства позволяют предположить, что формирование таких покрытий на поверхности ПМК-скаффолдов позволит улучшить их биосовместимость и будет способствовать их клиническому применению в тканевой инженерии с целью терапии, реабилитации и восстановления утраченных функций мягких тканей.
Для формирования тонких пленок на основе оксинитридов титана в настоящее время широко применяются различные ионно-плазменные методы. Например, реактивное магнетронное распыление позволяет в широких пределах варьировать свойства получаемого покрытия, изменяя такие параметры процесса, как состав рабочего газа, материал распыляемой мишени, мощность разряда и т. д. [17, 18]. Однако известно, что термическое и радиационное воздействие плазмы магнетронного разряда на полимерный материал сопровождается его деструкцией [19], что может отрицательно сказываться на биосовместимости [20].
В настоящее время как отечественными, так и зарубежными научными коллективами ведутся активные исследования и разработка нетканых скаффолдов на основе различных биорезорбируемых материалов. Существенный вклад в развитие данного научного направления внесли проф. Р. Морент из Гентского университета (Бельгия), Сяохуа Лю из Мичиганского университета (США). В Томском политехническом университете это направление развивает Научно-образовательный центр Б. П. Вейнберга ИЯТШ. В Томском государственном университете под руководством д. ф.- м. н. И. А. Курзиной проводятся исследования свойств волокнистых и композитных материалов с модифицированной поверхностью. В Национальном исследовательском технологическ ом университете МИСиС под руководством д. ф.-м. н., профессора Д. В. Штанского и в Университете ИТМО под руководством д. т. н., профессора М. В. Успенской ведутся комплексные исследования физико-химических и медико-биологических свойств скаффолдов.
Обзор литературы демонстрирует малое количество исследований, направленных на изучение структуры и свойств тонких покрытий на основе оксинитридов титана, сформированных на поверхности ПМК-скаффолдов методом магнетронного напыления, а также влияния плазменной обработки на их структуру, физико-химические и биологические свойства.
Цель работы: разработка биодеградируемых полимерных скаффолдов с модифицированной поверхностью для восстановления утраченных функций мягких тканей.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. выбрать материалы для изготовления нетканых полимерных
скаффолдов;
2. выбрать метод изготовления нетканых скаффолдов и метод
модифицирования их поверхности с целью улучшения биосовместимости;
3. разработать медико-технические требования к нетканым
биорезорбируемым скаффолдам с модифицированной поверхностью для регенеративной медицины мягких тканей;
4. разработать и отработать режимы модифицирования нетканых ПМК скаффолдов путем формирования покрытий методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота;
5. исследовать физико-химические свойства ПМК-скаффолдов, не
модифицированных и модифицированных методом реактивного
магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота;
6. установить влияние модифицирования нетканых ПМК-скаффолдов на их медико-биологические свойства в условиях in vitro и in vivo;
7. провести комплексный анализ полученных экспериментальных данных.
Научная новизна:
1. Разработаны режимы модифицирования поверхности ПМК- скаффолдов методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота, достоверно не изменяющие их линейные размеры, средний размер кристаллитов и механические свойства.
2. Показано, что воздействие плазмы магнетронного разряда, возникающей при распылении титановой мишени в атмосфере азота при выбранных режимах, приводит к гидрофилизации поверхности биодеградируемых ПМК-скаффолдов, что способствует улучшению их биосовместимости.
3. Предложен механизм формирования на поверхности ПМК-скаффолдов покрытий, которые имеют переменный химический состав, включающий соединения оксидов (TixOy) и оксинитридов (TiOxNy) титана, что обусловлено процессами взаимодействия адсорбированной воды и полимерных радикалов, возникающих при разрушении связей C-O и O-C=O, с материалом распыляемой мишени, молекулами и атомами рабочего газа.
4. Показано, что модифицированные ПМК-скаффолды обладают
большим на 45 % показателем адгезии культуры эндотелиальных клеток пупочной вены человека, клетки приобретают вытянутую форму и располагаются вдоль поверхности волокон, что способствует их заселению в скаффолды.
5. Медицинскими исследованиями подтверждено, что при in vivo подкожной имплантации модифицированных ПМК-скаффолдов в мягких тканях наблюдаются невысокая активность воспалительных процессов, замещение скаффолдов соединительной тканью и образование в прилегающих тканях множества кровеносных сосудов. С увеличением времени модифицирования скаффолдов ускоряется их биологическая деградация и увеличивается степень биоинтеграции с живыми тканями.
Теоретическая значимость. Результаты диссертационной работы расширяют представления о взаимодействии плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, с поверхностью биорезорбируемых ПМК-скаффолдов, а предложенный на их основе механизм формирования тонкопленочного покрытия на полимерных ПМК-скаффолдах вносит вклад в фундаментальную теорию о взаимодействии полимерных материалов с ионизирующим излучением.
Установлена зависимость между временем плазменного модифицирования и скоростью деградации скаффолда in vivo.
Практическая значимость работы. Установленные закономерности влияния плазмы DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, на структурно -морфологические и физико-химические свойства биорезорбируемых ПМК-скаффолдов позволяют эффективно модифицировать такие материалы с целью получения высокой гидрофильности поверхности и контролируемых параметров деградации in vivo. Изготовленные методом электроформования ПМК- скаффолды, модифицированные в плазме DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, могут быть использованы в качестве материалов тканеинженерных конструкций и систем для терапии, реабилитации и восстановления утраченных функций при восстановлении мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи. Модифицирование скаффолдов способствует их заселению клетками, замещению соединительной тканью и образованию в прилегающих тканях множества кровеносных сосудов, что приводит к сокращению сроков реабилитации.
По результатам работы разработан РИД - секрет производства (ноу- хау).
Объект исследования. ПМК-скаффолды, изготовленные методом электроспиннинга, с поверхностью, модифицированной методом реактивного магнетронного распыления титановой мишени на постоянном токе (DC-режим) в атмосфере азота, используемые в качестве тканеинженерных конструкций при терапии, реабилитации и восстановлении утраченных функций мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи.
Предмет исследования. Физико-химические и медико-биологические свойства ПМК-скаффолдов, изготовленных методом электроспиннинга, с тонкими покрытиями на основе оксинитридов титана, сформированными на их поверхности методом реактивного магнетронного распыления, для применения в тканевой инженерии при терапии, реабилитации и восстановлении утраченных функций мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи.
Методы исследования и методология работы. Для изучения морфологии, структуры и элементного состава исследуемых материалов в диссертационной работе применялись следующие методы исследований: сканирующая электронная микроскопия, рентгенофлуоресцентный и рентгеноструктурный анализы, ИК-Фурье спектроскопия, оптическая гониометрия. Кроме того, были проведены исследования механических характеристик (относительное удлинение, модуль Юнга, прочность). Для изучения химического состава покрытий использовалась рентгеновская
11 фотоэлектронная спектроскопия, для объяснения механизмов формирования тонкопленочных покрытий на полимерных скаффолдах - моделирование методом функционала плотности. Медико-биологические исследования скаффолдов с тонкими покрытиями на основе оксинитридов титана были проведены с использованием метода in vitro на клеточной культуре эндотелиальных клеток пупочной вены человека и в экспериментах in vivo с использованием лабораторных мышей. Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием программного пакета Statistica 7.0.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технологические режимы модифицирования поверхности ПМК- скаффолдов путем магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота, включающие в себя удельную мощность разряда 0,4 Вт/см2 и длительность модифицирования до 8 минут, позволяют достоверно сохранить их геометрические размеры и механические свойства.
2. Биодеградируемые ПМК-скаффолды с модифицированной
поверхностью при выбранных режимах характеризуются средним диаметром волокон 2,2 ± 0,3 мкм, низким краевым углом смачивания, 46 ± 10°, и средним размером кристаллитов 16 ± 1 нм.
3. Механизм формирования на поверхности нетканых ПМК -скаффолдов
однородных покрытий из плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, основан на взаимодействии адсорбированной воды и полимерных радикалов, образующихся при разрушении
связей C-O и O-C=O, с материалом распыляемой мишени, молекулами и атомами рабочего газа.
4. Модифицирование ПМК-скаффолдов приводит к заселению клеток в их объем, увеличению показателя адгезии культуры эндотелиальных клеток пупочной вены человека на их поверхности на 45 %, замещению
их соединительной тканью с образованием множества кровеносных сосудов. При этом с увеличением времени модифицирования скаффолдов ускоряется их биологическая деградация и увеличивается степень биоинтеграции с живыми тканями.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использовались при проведении медицинских исследований: в
доклинических экспериментах in vitro в ФГБУ «НМИЦ им. В.А. Алмазова» Минздрава России, экспериментах in vivo в ФГБНУ «Научноисследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», в НОЦ Б.П. Вейнберга ТПУ при выполнении научных проектов, а также при изучении раздела «Физические принципы модифицирования материалов биомедицинского назначения. Свойства, приобретаемые материалами в процессе модифицирования» в рамках дисциплины «Плазменные технологии в биологии и медицине» при подготовке магистров по специальности 14.03.02 «Ядерные физика и технологии».
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы обусловлены применением современных высокоточных и высокотехнологичных приборов и методов исследований, сопоставлением полученных результатов с уже опубликованными результатами в релевантных научных литературных источниках.
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментальных работ, в получении и обработке экспериментальных результатов, которые представлены в качестве тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях, статей в российских и зарубежных журналах. Постановка задач, обсуждение результатов исследований, а также формулирование научных положений, выносимых на защиту, осуществлялись совместно с научным руководителем канд. ф.-м. наук, доцентом С. И. Твердохлебовым. Работы по формированию ПМК-
13 скаффолдов методом электроспиннинга проводились совместно с канд. техн. наук Е. Н. Больбасовым. Соавторы, проводившие медико-биологические исследования, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации.
Диссертационная работа выполнена в рамках следующих проектов и договоров: ФЦП, Соглашение № 14.578.21.0031 от 05.06.2014, «Разработка композитных имплантатов для реконструктивно-восстановительной
хирургии черепно-лицевой области у больных травматологического и онкологического профиля»; ФЦП, Соглашение № 14.575.21.0140 от 26.09.2017, «Разработка остеостимулирующих имплантатов на основе гибридных технологий модифицирования их поверхности и компьютерного моделирования выхода лекарственных препарат ов для персонализированной медицины при политравме и онкологии»; ВИУ-НОЦ Б.П. Вейнберга- 196/2020 «Разработка прототипов медицинских изделий на основе гибридных и композиционных материалов с терапевтическим эффектом для лечения различных нозологий»; РФФИ 20-32-90133 «Аспиранты» «Исследование влияния плазмы DC магнетронного разряда на физикохимические свойства биорезорбируемых скаффолдов для регенеративной медицины»; Контракт № 18.08-152/2018К с LLC «Koatum» (Латвия) «Разработка технологических режимов нанесения гибридных покрытий на экспериментальные имплантаты с шероховатыми и полированными поверхностями».
Апробация. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: The 7th and 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, Россия, 2020, 2022), 21st International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams (Томск, Россия, 2021), XIX Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, Россия, 2021), Международная научно-практическая конференция «Разработка лекарственных средств - традиции и перспективы» (Томск, Россия, 2021).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 213 источников. Полный объем работы - 153страницы, в том числе 33 рисунка, 15 таблиц и 5 приложений.
В результате выполнения диссертационной работы
продемонстрирована возможность модифицирования поверхности биорезорбируемых ПМК скаффолдов, изготовленных методом
электроспиннинга, в плазме DC реактивного магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, с формированием тонких окснитридных титановых покрытий.
Научным результатом работы является развитие представлений о методах модифицирования полимерных материалов (ПМК скаффолдов) в плазме магнетронного разряда. Полученные экспериментальные данные и предложенные механизмы формирования тонкопленочного покрытия на полимерных скаффолдах и их плазменной деструкции расширяют представления о влиянии плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, на физико-химические и медико-биологические характеристики. При этом установлена зависимость между временем плазменного модифицирования и скоростью деградации скаффолда in vivo.
Практическим результатом работы закономерности влияния плазмы DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, на структурно-морфологические и физикохимические свойства биорезрбируемых ПМК скаффолдов позволяют эффективно модифицировать такие материалы с целью получения высокой гидрофильности поверхности и контролируемых параметров деградации in vivo. Изготовленные методом электроформования ПМК скаффолды, модифицированные в плазме DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, могут быть использованы в качестве материалов для тканевой инженерии при создании систем для терапии, реабилитации и восстановления утраченных функций при восстановлении дефектов мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи. При этом, можно выделить следующее:
1. Показано, что средний диаметр волокон ПМК скаффолдов, сформированных методом элекроспиннинга, зависит от вязкости прядильного полимерного раствора: при 5% концентрации ПМК в трихлорметане средний диаметр волокон скаффолда составляет 1,4 ± 0,5 мкм, а при 14% 5,6 ± 1,6 мкм.
2. Выбраны и обоснованы технологические режимы модифицирования поверхности ПМК скаффолдов путем магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота, включающие в себя удельную мощность разряда 0,4 Вт/см2 и длительность модифицирования до 8 минут.
3. Доказано, что цикл промежуточной ионной очистки мишени позволяет увеличить концентрацию титана на поверхности ПМК скаффолдов до 2,03 ± 0,07 атом. % по сравнению с 1,50 ± 0,02 атом. % без промежуточной ионной очистки мишени.
4. Показано, что ПМК скаффолды сформированы хаотично переплетающимися между собой волокнами правильной цилиндрической формы, со средним диаметром 2,2 ± 0,3 мкм, а плазменное модифицирование не приводит к образованию дефектов в виде оплавлений, прожогов, капель и т. п.
5. Установлено, что с увеличением длительности модифицирования ПМК скаффолдов в плазме магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, концентрация титана и азота на их поверхности достоверно увеличивается.
6. Показано, что при длительности плазменного модифицирования до 8 минут относительная интенсивность и положение характерных пиков на рентгенограммах ПМК скаффолдов сохраняется, а средний размер кристаллитов достоверно не изменяется.
7. Методом оптической гониометрии показано, что модифицирование в плазме магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, приводит к уменьшения краевого угла смачивания с 129 ± 8 ° до 46 ± 5 °
8. При исследовании механических свойств ПМК скаффолдов установлено, что значения предела прочности и относительного удлинения при выбранных технологических режимах модифицирования достоверно не изменяется. Однако при 6 и 8 минутах модифицирования значение величины модуля Юнга достоверно увеличивается, что обусловлено образованием на поверхности волокон тонких пленок оксинитридов титана.
9. Установлено, что состав тонкопленочного покрытия на поверхности волокон ПМК скаффолдов зависит от длительности модифицирования и изменяется от соединений диоксида титана, насыщенных связями типа C- NH, C=N, N-C=N и HN-C=O, до сложных соединений оксидов (TixOy) и оксинитридов титана (TiOxNy).
10. Предложен механизм формирования на поверхности нетканых ПМК скаффолдов однородных покрытий из плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, основанный на взаимодействии адсорбированной воды и полимерных радикалов, возникающих при разрушении C -O и O-C=O связей, с материалом распыляемой мишени, молекулами и атомами рабочего газа. Механизм согласуется с теоретическими данными, полученными методом функционала плотности.
11. Показано, что модифицированные ПМК скаффолды обладают на 45 % большим показателем адгезии культуры эндотелиальных клеток пупочной вены человека, клетки приобретают вытянутую форму и располагаются вдоль поверхности волокон, что способствует их заселению в скаффолды.
12. В медицинских исследованиях in vivo с использованием лабораторных животных доказано, что при подкожной имплантации модифицированных ПМК скаффолдов в мягкие ткани наблюдаются невысокая активность воспалительных процессов, замещение скаффолдов соединительной тканью и образование в прилегающих тканях множества кровеносных сосудов. С увеличением времени модифицирования скаффолдов ускоряется их биологическая деградация и увеличивается степень биоинтеграции с живыми тканями.
13. Характеристики разработанных ПМК скаффолдов удовлетворяют медико-техническим требованиям к нетканым биорезорбируемым скаффолдам с модифицированной поверхностью для регенеративной медицины мягких тканей.
продемонстрирована возможность модифицирования поверхности биорезорбируемых ПМК скаффолдов, изготовленных методом
электроспиннинга, в плазме DC реактивного магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, с формированием тонких окснитридных титановых покрытий.
Научным результатом работы является развитие представлений о методах модифицирования полимерных материалов (ПМК скаффолдов) в плазме магнетронного разряда. Полученные экспериментальные данные и предложенные механизмы формирования тонкопленочного покрытия на полимерных скаффолдах и их плазменной деструкции расширяют представления о влиянии плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, на физико-химические и медико-биологические характеристики. При этом установлена зависимость между временем плазменного модифицирования и скоростью деградации скаффолда in vivo.
Практическим результатом работы закономерности влияния плазмы DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, на структурно-морфологические и физикохимические свойства биорезрбируемых ПМК скаффолдов позволяют эффективно модифицировать такие материалы с целью получения высокой гидрофильности поверхности и контролируемых параметров деградации in vivo. Изготовленные методом электроформования ПМК скаффолды, модифицированные в плазме DC магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, могут быть использованы в качестве материалов для тканевой инженерии при создании систем для терапии, реабилитации и восстановления утраченных функций при восстановлении дефектов мягких тканей, внутренних органов и органов области головы и шеи. При этом, можно выделить следующее:
1. Показано, что средний диаметр волокон ПМК скаффолдов, сформированных методом элекроспиннинга, зависит от вязкости прядильного полимерного раствора: при 5% концентрации ПМК в трихлорметане средний диаметр волокон скаффолда составляет 1,4 ± 0,5 мкм, а при 14% 5,6 ± 1,6 мкм.
2. Выбраны и обоснованы технологические режимы модифицирования поверхности ПМК скаффолдов путем магнетронного распыления титановой мишени в атмосфере азота, включающие в себя удельную мощность разряда 0,4 Вт/см2 и длительность модифицирования до 8 минут.
3. Доказано, что цикл промежуточной ионной очистки мишени позволяет увеличить концентрацию титана на поверхности ПМК скаффолдов до 2,03 ± 0,07 атом. % по сравнению с 1,50 ± 0,02 атом. % без промежуточной ионной очистки мишени.
4. Показано, что ПМК скаффолды сформированы хаотично переплетающимися между собой волокнами правильной цилиндрической формы, со средним диаметром 2,2 ± 0,3 мкм, а плазменное модифицирование не приводит к образованию дефектов в виде оплавлений, прожогов, капель и т. п.
5. Установлено, что с увеличением длительности модифицирования ПМК скаффолдов в плазме магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, концентрация титана и азота на их поверхности достоверно увеличивается.
6. Показано, что при длительности плазменного модифицирования до 8 минут относительная интенсивность и положение характерных пиков на рентгенограммах ПМК скаффолдов сохраняется, а средний размер кристаллитов достоверно не изменяется.
7. Методом оптической гониометрии показано, что модифицирование в плазме магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, приводит к уменьшения краевого угла смачивания с 129 ± 8 ° до 46 ± 5 °
8. При исследовании механических свойств ПМК скаффолдов установлено, что значения предела прочности и относительного удлинения при выбранных технологических режимах модифицирования достоверно не изменяется. Однако при 6 и 8 минутах модифицирования значение величины модуля Юнга достоверно увеличивается, что обусловлено образованием на поверхности волокон тонких пленок оксинитридов титана.
9. Установлено, что состав тонкопленочного покрытия на поверхности волокон ПМК скаффолдов зависит от длительности модифицирования и изменяется от соединений диоксида титана, насыщенных связями типа C- NH, C=N, N-C=N и HN-C=O, до сложных соединений оксидов (TixOy) и оксинитридов титана (TiOxNy).
10. Предложен механизм формирования на поверхности нетканых ПМК скаффолдов однородных покрытий из плазмы магнетронного разряда, возникающего при распылении титановой мишени в атмосфере азота, основанный на взаимодействии адсорбированной воды и полимерных радикалов, возникающих при разрушении C -O и O-C=O связей, с материалом распыляемой мишени, молекулами и атомами рабочего газа. Механизм согласуется с теоретическими данными, полученными методом функционала плотности.
11. Показано, что модифицированные ПМК скаффолды обладают на 45 % большим показателем адгезии культуры эндотелиальных клеток пупочной вены человека, клетки приобретают вытянутую форму и располагаются вдоль поверхности волокон, что способствует их заселению в скаффолды.
12. В медицинских исследованиях in vivo с использованием лабораторных животных доказано, что при подкожной имплантации модифицированных ПМК скаффолдов в мягкие ткани наблюдаются невысокая активность воспалительных процессов, замещение скаффолдов соединительной тканью и образование в прилегающих тканях множества кровеносных сосудов. С увеличением времени модифицирования скаффолдов ускоряется их биологическая деградация и увеличивается степень биоинтеграции с живыми тканями.
13. Характеристики разработанных ПМК скаффолдов удовлетворяют медико-техническим требованиям к нетканым биорезорбируемым скаффолдам с модифицированной поверхностью для регенеративной медицины мягких тканей.
