ИСТИНА

Создание нового поколения резорбируемой керамики в качестве основы тканеинженерных конструкций для регенеративной медицины костной ткани на основе магнийсодержащих фосфатов.

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.

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.

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/).

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