Тема: ФОРМИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО МНОГОСЛОЙНОГО БИОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА И ГИДРОКСИАПАТИТА НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА ДЛЯ МЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Актуальность темы диссертации. Разработка новых композитных, наноструктурированных биоматериалов с заданными свойствами является актуальным направлением современных междисциплинарных научных исследований, и является фундаментальной задачей медицинского материаловедения, физики и химии твердого тела. В настоящее время интенсивно возрастающий интерес научного сообщества связан с исследованием различных послеоперационных осложнений в результате действия бактерий в результате хирургического вмешательства, что может приводить к удалению имплантата.
Несмотря на многочисленные исследования, проблема снижения риска такого рода осложнений остается нерешенной в травматологии, ортопедии, и стоматологии до настоящего времени [1-3]. Решением данной проблемы является создание биокомпозита путем модифицирования поверхности имплантата посредствам формирования многослойной гетерогенной системы. Подобные системы слоев позволяют придавать имплантатам необходимые свойства для решения конкретных задач. Так, для получения прочной связи на границе раздела кость-имплантат и улучшения его антибактериальных и биоактивных свойств представляет большой интерес создание многослойной системы на основе титана, способного нести дли-тельные и высокие нагрузки, слоёв биоактивного кальций-фосфата и наночастиц серебра (AgНЧ), придающих данной системе антибактериальные свойства [4-7].
Настоящая диссертационная работа направлена на получение серебросодержащего (Ag- ГА) биокомпозита, представляющего собой комбинацию слоев на основе AgНЧ и кальцийфосфатных (гидроксиапатит, ГА, Cai0(PO4)6(OH)2) покрытий с детерминированной структурой. Метод высокочастотного магнетронного распыления (ВЧМР) позволяет, управляя режимами процесса осаждения, формировать покрытия с заранее заданными свойствами [8, 9]. В свою очередь метод химического восстановления нитрата серебра глюкозой в присутствии стабилизатора позволяет контролировать заряд, размер и форму наночастиц, при этом коллоидный раствор (КР) долгое время остается стабильным [10, 11]. Следует отметить, что сохранение физических, химических и биологических свойств покрытий остается важной задачей в процессе модифицирования материалов для медицинских имплантатов.
Степень разработанности темы исследования. Используемые в настоящее время металлические имплантаты с течением времени подвергаются коррозионному воздействию, что приводит к появлению продуктов коррозии, которые проникают в прилегающие живые ткани, что может способствовать возникновению металлоза. В данном случае вокруг имплантата формируется фиброзная капсула, вследствие чего происходит расшатывание имплантата и воспаление окружающих тканей, что значительно осложняет процедуру послеоперационного лечения и восстановления [12-15]. Немаловажным является и тот факт, что каждый организм уникален и по-разному взаимодействует с имплантатом. Следовательно, в стоматологии, ортопедии и травматологии остается актуальной задача разработки новых типов биосовместимых материалов, способных адресно решать задачи восстановления поврежденных тканей.
Для улучшения биосовместимых свойств имплантатов выделяют два направления: создание новых конструкционных материалов и модифицирование поверхности стандартизованных имплантатов с использованием различных типов биосовместимых покрытий, в том числе композитных (гибридных). К настоящему времени выполнено большое количество научно-исследовательских работ по изучению гибридных многослойных покрытий, сформированных на поверхности металлических имплантатов. Основная задача исследований заключается в поиске новых методик модифицирования поверхности имплантатов с целью предотвращения выхода легирующих элементов и одновременного увеличения остеоинтеграции. Проблемой увеличения биоактивности металлических имплантатов занимаются многие ученые в России и за рубежом: Шаркеев Ю.П., Сурменева М.А., Твердохлебов С.И., Штанский Д.В., Батрак И.К., Маркеев А.М., Баринов С.М., Яковлев В.И., Попова А.А., Лясникова А. В., Лясников В. Н., Boyd A.R., Guillot R., Liu X.Y. и т.д. В их трудах продемонстрированы методики формировании оксидных слоев с целью увеличения коррозионной стойкости, а также биоактивного покрытия на основе кальций-фосфатов. Однако, несмотря на большое количество опубликованных работ, малоизученными остаются многофункциональные биопокрытия, одновременно обладающие биосовместимостью и антибактериальными свойствами.
Перспективным решением проблемы отторжения имплантатов является формирование на поверхности имплантата гибридной тонкопленочной системы, состоящей из антибактериального и биоактивного слоев, позволяющих избежать отторжения и ускорить лечебновосстановительный процесс [16, 17]. Эффективной методикой повышения биоактивности и остеоинтеграции металлических имплантатов является формирование на его поверхности покрытия на основе ГА [18, 19]. В то же время использование наночастиц серебра позволяет придать покрытию антибактериальные свойства.
Метод ВЧМР обладает рядом ключевых преимуществ, выгодно отличающих его от остальных методов нанесения керамических покрытий [20, 21]. В дополнение, методика химического восстановления серебра позволяет синтезировать наночастицы с высокой концентрацией, и при этом контролировать их размер, форму. В свою очередь использование метода электрофоретического осаждения (ЭФО) позволяет формировать равномерной слой наночастиц на поверхности ГА покрытий, а также позволяет контролировать концентрацию осаждаемых на поверхности образцов AgH4 [22, 23].
Цель диссертационной работы разработка многослойного биокомпозита на основе ГА с детерминированной структурой и наночастиц серебра с улучшенными физико-механическими свойствами и биосовместимостью, обладающего антибактериальным действием, для функционализации поверхности металлических материалов медицинского назначения.
Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Получить ГА покрытия методом ВЧМР с различной толщиной. Установить зависимость формирования структурных, морфологических и фазовых характеристик ГА покрытий, сформированных методом ВЧМР.
2. Исследовать влияние термического воздействия на структуру и фазовый состав ГА покрытий.
3. Исследовать способы получения AgНЧ с заранее заданными структурноморфологическими свойствами методом химического восстановления нитрата серебра глюкозой в присутствии стабилизаторов.
4. Осуществить выбор методики функционализации поверхности ГА покрытия наночастицами серебра. Провести оптимизацию способа формирования слоя наночастиц в рамках выбранной методики.
5. Получить на поверхности подложек различного состава многослойное покрытие путем комбинации слоев на основе ГА с детерминированной структурой, напыленных методом ВЧМР, и осаждения AgНЧ методом ЭФО.
6. Исследовать химический и фазовый состав, структуру и физико-механические свойства Ag-ГА композита.
7. Исследовать биологические свойства (цитотоксичность, биосовместимость и антибактериальную активность) Ag-ГА композита в условиях in vitro.
Научная новизна. В работе впервые:
1. Установлены закономерности формирования слоя AgНЧ на поверхности магнетронного ГА покрытия методом электрофоретического осаждения при использовании следующих условий электрофоретического процесса: напряжение 50 В, время осаждения 30 мин, расстояние между анодом и катодом ~ 1,5 мм, среда на основе этанола с концентрацией наночастиц серебра 60 мг/л.
2. Предложен новый способ создания композитов на основе многослойной системы, состоящей из ГА слоев с различной структурой и толщиной (~ 150 нм и ~ 800 нм), а также слоя наночастиц серебра диаметром ~ 70 нм.
3. Показана антибактериальная активность Ag-ГА композита (концентрация суспензии 2,5±0,3 мг/л) по отношению к бактериям штамма кишечной палочки (E. coli) в условиях in vitro.
4. Установлено, что полученный Ag-ГА композит является биосовместимым и не оказывает
существенного влияния на цитотоксичность подобных остеобластам клеток человека в условиях in vitro.
Теоретическая значимость работы. Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, вносят значительный вклад в развитие медицинского материаловедения, физики конденсированного состояния. Установлены закономерности формирования слоя AgEH методом ЭФО в зависимости от технологических режимов, а также технологии получения композитных покрытий.
Практическая значимость работы. Выполненные в работе исследования являются основой для разработки технологии формирования многослойных покрытий на медицинских изделиях, в частности, для восстановления зубных единиц и костных дефектов. Предложенная в работе методика формирования Ag-ГА композита позволяет управлять его структурой и свойствами, которые определяют функциональность материалов и целевое назначение композита.
Разработана и апробирована новая методика создания многослойной системы покрытий на основе Ag-ГА композита для применения в медицинской практике.
Методология и методы исследования. Методология диссертационной работы основывается на комплексном подходе к анализу и решению задач в области создания новых биоматериалов с использованием современных методик исследования.
В диссертационной работе использовались следующие методы: рентгенофазовый анализ (РФА), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДРА), инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия), оптическая эллипсометрия, анализ треков наночастиц (АТН), динамическое рассеяние света (ДРС), склерометрия (скретч-тест), атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС), флуоресцентная микроскопия. В условиях in vitro, посредством использования методики исследования биосовместимости, антибактериальной активности и биодеградации, представлено медикобиологическое обоснование перспективы использования Ag-ГА композита.
Научные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Содержание серебра от 2 до 23 мкг/см2 на поверхности ГА слоя обеспечивается следующим набором основных параметров электрофоретического осаждения наночастиц серебра (ПВП, z-потенциал -22,5±8,1 мВ): напряженность электрического поля от 17 до 100 В/мм, время осаждения от 10 до 50 мин, концентрация коллоидного раствора от 30 до 360 мг/л.
2. Увеличение аликвоты водного коллоидного раствора наночастиц серебра в интервале от 240 до 480 мкл при электрофоретическом осаждении приводит к изменению характера распределения наночастиц на поверхности ГА покрытия с равномерного на коагуляционный.
3. Контролируемый выход серебра достигается изменением толщины и структуры верхнего слоя на основе ГА. Увеличение толщины ГА слоя от 150±30 до 800±50 нм, сопровождающееся ростом областей когерентного рассеяния от 21 до 38 нм и текстурного коэффициента от 0,35 до 0,69 в направлении [002], приводит к сокращению выхода серебра на 27±3% в течение 72 часов.
4. Антибактериальный эффект при отсутствии цитотоксичности обеспечивается высвобождением серебра из многослойного композита, состоящего из отожженного ГА слоя толщиной от 750 до 850 нм, осажденного на титановую подложку, наночастиц серебра и верхнего ГА слоя толщиной от 120 до 180 нм, в концентрации от 2,2 до 2,8 мг/л на третьи сутки растворения в модельной биологической среде (фосфатный буфер), что составляет 30±2% от общего содержания серебра в композите.
Достоверность и обоснованность представленных в диссертационной работе экспериментальных результатов обеспечивается корректностью поставленных задач, проведением исследований с использованием современного, сертифицированного аналитического и технологического оборудования, применением комплексных методов исследования структуры материалов их механических свойств основываясь на теоретических представления физики конденсированного состояния, а также с соблюдением принципов комплексного подхода при анализе и интерпретации экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов, применением статистических методов оценки погрешности при обработке данных эксперимента и соответствием экспериментальных результатов литературным данным.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих школах-семинарах и конференциях: Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Россия, г. Томск 2015, 2016, 2017, 2018), Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы и технологи новых поколений в современном материаловедении» (Россия, Томск, 2015 г.), International Forum on Strategic Technology (Bangladesh, Chittagong, 2014, Russia, Novosibirsk, 2016), International Young Scientists School «Nanostructured materials» (Russia, Tomsk, 2016), International Conference «Nanoparticles, nanostructured coatings and microcontainers: technology, properties, applications » (Russia, Tomsk, 2016), International workshop «Smart materials and technologies» (Russia, Tomsk, 2017), International Symposium «Physics, Engineering and Technologies for Biomedicine» devoted to the 75th Anniversary of the National Research Nuclear University MEPhI (Russia, Moscow, 2017), International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nano-Design, Technology, Computer Simulations (Belarus, Minsk, 2017).
Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 36 публикациях, в том числе в 3 статьях в журналах, рекомендованных ВАК России и 8 статьях в журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.
Личный вклад автора в диссертационную работу заключался в постановке цели и задач диссертационной работы, планировании и проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов, формулировании выводов и положений, выносимых на защиту, написании публикаций, подготовке докладов и выступлениях на семинарах и конференциях по теме работы.
Связь работы с Государственными программами и НИР. Работа выполнялась в рамках следующих научных проектов и программ: РНФ проект № 14-13-00274 «Конструирование функционально-модифицированных градиентных биокерамических покрытий на биорезорбируемом магниевом сплаве для направленного регулирования скорости резорбции» (2014-2016 гг.); Федеральная целевая программа 14.587.21.0013 «Исследование способов
получения гибридных скэффолдов для регенеративной медицины» (уникальный идентификационный номер заявки 2015-14-588-0002-5599) (2015-2017 гг.); РФФИ проекты: № 13-08-98082 «Исследование физических механизмов формирования электретного состояния в биосовместимом наноструктурном ВЧ-магнетронном кальций-фосфатном покрытии» (20132014 гг.); №14-08-31027 "Новое нанокомпозитное покрытие с улучшенными остеоиндуктивными и антибактериальными свойствами для медицинского применения: фундаментальные исследования и практические приложения" (2014-2015 гг.); гранты Президента для поддержки молодых ученых кандидатов наук: МК-6287.2018.8 «Получение трехмерных гибридных биодеградирумых скэффолдов на основе различных комбинаций проводящего полианилина и пьезополимеров, с различными по величине и полярности значениями поверхностного заряда (потенциала)» (2018-2019 гг.); МК-6459.2016.8 «Получение и исследование биодеградируемых скэффолдов с определенным по величине и полярности поверхностным потенциалом» (20162017 гг.); МК-7907.2016.8 «Разработка методов модификации внутри-поровых поверхностей металлического каркаса, созданного методами быстрого прототипирования, биоактивными кальций-фосфатными соединениями, обеспечивающими повышенные остеоинтеграционные характеристики» (2016-2017 гг.); Госзадание «Наука» №11.1233.2017/4.6 «Исследование
физических механизмов получения новых типов композитных скэффолдов с пьезоэлектрическим эффектом и поверхностным потенциалом для регенеративной медицины» (2017 г.); стипендия Президента РФ СП-444.2016.4 «Раз-работка антибактериальных биокомпозитов на основе кальций-фосфатного покрытия и наночастиц серебра с целью повышения эффективности операций по восстановлению зубных единиц» (2016-2018 гг.); грант Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере "Ползуновские гранты" № 7630ГУ (код 009849) "Формирование антибактериального остеоиндуктивного интерфейса медицинских имплантатов" (2015 г.).
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с выводами, списка используемых источников, включающего 206 наименований. Полный объем диссертации - 116 листов машинного текста, в том числе 40 рисунков и 7 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, показана степень ее разработанности, определена цель работы и задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, сформулирована научная новизна и практическая значимость исследования, описана методология и методы исследования, сформулированы выносимые на защиту положения, обоснована достоверность результатов проведенных исследований, указаны сведения об апробации работы, личном вкладе соискателя и публикациях, представлена структура диссертации.
В первой главе приведен аналитический обзор литературы в области применения биоматериалов, представлен краткий обзор способов получения многослойных систем биопокрытий, определены требования, предъявляемые к материалам медицинского назначения, а также рассмотрены теоретические основы синтеза сферических наночастиц серебра разного размера с положительным или отрицательным зарядом.
Во второй главе описаны методики модификации медицинских имплантатов, путем формирования многофункциональных слоев различного состава.
В третьей главе приведены способы синтеза наночастиц, дано понятие коллоидной системы, рассмотрены химические и физические свойствами наночастиц серебра.
В четвертой главе описаны методики экспериментальных исследований, дана характеристика исходных рабочих материалов и химикатов, представлен список примененного в работе экспериментального оборудования, описана технология формирования ГА покрытий методов ВЧМР, представлена схема синтеза наночастиц серебра в присутствии стабилизаторов двух видов, рассмотрены технологические процессы биологических и антибактериальных исследований в условиях in virto.
В пятой главе представлено описание результатов исследования синтеза и характеристики наночастиц серебра разного размера и заряда методами анализа треков наночастиц (НТА), динамического рассеяния света (ДРС) и сканирующей электронной микроскопией (СЭМ). Представлены результаты функционализации ГА покрытий наночастицами серебра методами осаждения из раствора, сидячей капли, электрофоретического осаждения из водной и спиртовой среды. Также описаны результаты исследования формирования и структурных особенностей ГА покрытий в зависимости от технологического режима ВЧМР. Представлено описание структурных и физико-механических свойств Ag-ГА композита.
В шестой главе представлены результаты исследования поведения Ag-ГА композита в модельной биологической жидкости, проанализированы экспериментальные результаты in vitro исследования антибактериальной и биологической активности Ag-ГА композита на примере штаммов кишечной палочки E. coli и подобных остеобластам клеток остеосаркомы человека (MG-63), соответственно.
Благодарности
Представленная диссертационная работа является финальным этапом тернистого пути, пройденного к получению степени кандидата технических наук. Но путь этот был не менее увлекательным, многогранным и поучительным. В ходе работы закалялся боевой дух, открывались новые горизонты, приобретался огромный и бесценный опыт, что в целом позволило создать хорошую и прочную базу для будущих моментов моей научной и личной жизни. Диссертационная работа - это «маленькая жизнь» где, как и в реальности, мы бок о бок связаны с большим количеством людей включая коллег, друзей и членов семьи, без помощи и поддержки которых решить поставленные задачи не представлялось бы возможным. По этой причине я хотела бы выразить им свою признательность и благодарность за то, что они прожили вместе со мной эту «маленькую жизнь» и сделали путь поистине незабываемым.
Выражаю признательность научному руководителю к.ф.-м.н. М.А. Сурменевой за участие и помощь в подготовке диссертационной работы, д.т.н. Р.А. Сурменеву за интерес к работе и консультации по вопросам написания диссертации. Коллегам к.ф.-м.н. И.Ю. Грубовой, к.ф.-м.н. А.А. Ивановой, к.т.н. С.Н. Шкариной, Е.А. Чудиновой за ценные замечания и комментарии к работе. А также немецким коллегам: профессору М. Эппле, доктору О. Примак, доктору Е. Лоза, за дружественный приём, помощь в организации экспериментов и участие в обсуждении полученных результатов, доктору С. Черноусова за помощь в проведении биологических и антибактериальных экспериментов.
Также выражаю признательность всем коллегам из исследовательской группы профессора Эппле (Университет Дуйсбург-Эссен, Германия) и Томского политехнического университета, с которыми продолжает сотрудничество или сотрудничал ранее за помощь и поддержку в нужную минуту и отличную дружескую атмосферу в коллективе.
Выражаю сердечную благодарность моей семье, в особенности родителям за их огромную всестороннюю поддержку на протяжении всего диссертационного пути, за их безграничную любовь, понимание и душевное тепло, моим любимым деткам, которые наполняют жизнь смыслом и помогают идти дальше и мужу, который рука об руку прошел со мной этот путь.


Купить

1. Методом ВЧМР сформированы ГА покрытия, средняя толщина покрытий составляет от 500±70 нм до 900±50 нм, с показателем преломления равным 1,68±0,04 при осаждении в течение 480 мин. Средняя толщина покрытия составляет от 150±30 нм до 200±20 нм, с показателем преломления равным 1,65±0,02 при осаждении в течение 180 мин. Показано, что наличие рефлексов при углах 29 равных 25,9° (002), 31,8° (211), 32,9° (300), 53,1° (004) характерно для кристаллического ГА. Морфологические исследования свидетельствуют о формировании плотного со столбчатой структурой покрытия, не имеющего трещин, сколов и других видимых дефектов.
2. Установлено, что термическая обработка ГА покрытия (480 мин) при температуре 600 °С приводит к росту средних размеров ОКР от 38±3 до 89±5 нм и текстурного коэффициента от 0,69 до 1 в направлении [002].
3. Методом химического восстановления в течение 5 и 60 минут синтезированы AgH4 в присутствии стабилизаторов ПВП и ПЭИ. Установлена зависимость процесса синтеза от времени на размер и заряд AgH4. Синтез в течение 60 мин позволяет формировать АдНЧпвп с размером 70±20 нм, зарядом -22,5±8,1 мВ (ИПД=0,19±0,01 отн. ед.), АдНЧпэи с размером 40±20 нм и зарядом 54,1±14,8 мВ (ИПД=0,40±0,03 отн. ед.), тогда как синтез в течение 5 минут позволяет получать АдНЧпвп с размером 25±15 нм и зарядом 0,3±15,6 мВ (ИПД=0,49±0,04 отн. ед.). На основе экспериментальных результатов Ag НЧ, стабилизированные с ПВП в течение 60 мин, выбраны для функционализации ГА покрытий. Исследования РФА АдНЧпвп восстановленных в течении 60 мин, показали присутствие рефлексов серебра с размером ОКР 14±1 нм.
4. Выявлено, что установленные условия осаждения методом ЭФО в среде этанола с рабочими параметрами: время осаждения от 10 до 50 мин, напряженность электрического поля от 17 до 100 В/мм, концентрация КР от 30 до 350 мг/л позволяют формировать равномерный слой наночастиц с содержанием серебра от 2 до 23 мкг/см2. В процессе ЭФО увеличение аликвоты водного КР АдНЧпвп от 120 до 720 мкл, приводит к росту концентрации АдНЧ в электролите на основе этанола от 30 до 180 мг/л и изменению характера распределения АдНЧ по поверхности ГА покрытия, сформированного на титановой подложке, с равномерного на коагуляционный.
5. Анализ механических свойств многослойного Ад-ГА композита на поверхности титановой подложки с верхним слоем ГА толщиной 150±30 нм, показал, что разрушение происходит по когезионному механизму, связанному с пластической деформацией.
6. Установлено, что толщина верхнего слоя на основе ГА, осажденного на слой наночастиц серебра, оказывает влияние на выход серебра из композита в модельную биологическую среду. После растворения в течение 3 дней Ад-ГА биокомпозитов с верхним Г А слоем толщиной 150±30 нм концентрация серебра в среде натрий-фосфатного буфера составила 2,5±0,3 мг/л, в то время как при использовании верхнего ГА слоя с толщиной 800±50 нм концентрация серебра в среде натрий-фосфатного буфера составила 0,71±0,15 мг/л.
7. Установлено, что растворение в течение 3 дней многослойного Ag-ГА биокомпозита с верхним ГА слоем толщиной 150±30 нм, обеспечивает концентрацию серебра в среде натрий-фосфатного буфера равную 2,5±0,3 мг/л, оказывающую ингибирующее действие на планктонный рост бактерий штамма E.coli, без цитотоксичности для клетокMG-63.

Купить