ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ им. А.А. Байкова РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
[На Главную] [Карта Сайта] [Контакты]

ОБ ИНСТИТУТЕДостижения и разработки

         Решена важная государственная задача создания устойчивой сырьевой базы для производства металлического титана и пигментного TiO2 в России на основе использования лейкоксеновых руд крупнейшего Ярегского месторождения. Разработан новый, экологически чистый технологический цикл с попутным получением универсального многофункционального материала ‒ синтетического волластонита и синтетического рутила. 


Создан новый композиционный материал биомедицинского назначения

        Для замены дорогостоящих бронз в судостроении и химической промышленности разработана новая литейная высокохромистая азотсодержащая (~0,5% N) сталь аустенитного класса на основе Fe-Cr-Mn-Ni-Mo (05Х22АГ15Н8М2ФЛ). Установлено, что гомогенизирующие высокотемпературные отжиги позволяют обеспечить получение у стали полностью аустенитной структуры. Сталь по коррозионной стойкости не уступает бронзам и другим традиционным материалам, при этом существенно превосходит их по прочности. В частности, она имеет вдвое более высокий предел текучести (~400 МПа) по сравнению с не содержащими азота сталями типа 18Cr-10Ni.


Разработана технология прозрачного керамического материала на основе граната

Получены глобулярные и прозрачные фотонные кристаллы

 
 
ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ТКАНЕЙ
 
            Как создают материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани? Почему сегодня гидроксиапатит практически не используют в клинической практике? Какие материалы используют для инженерии костной ткани? На эти и другие вопросы отвечает доктор технических наук Владимир Комлев.
            Нужно начать с определения существующей проблемы и ее актуальности. Это проблема замещения или регенерации костных тканей у человека. Для этого применяются различные материалы и имплантаты, и существует достаточно много различных подходов. Один из них — так называемая инженерия тканей — базируется на принципах биоминерализации т.е. на контролируемом образовании биокомпозитов.
            Костная ткань — это композиционный материал, состоящий приблизительно на 70% из неорганических и на 30% ‒ из органических веществ. Неорганическая составляющая костной ткани ‒это биологический гидроксиапатит (Ca10(PO4)6(OH)2), а органическая составляющая ‒ коллаген различных типов. Перед нами стояла задача ‒ создать материал, приближенный к неорганической составляющей костной ткани, то есть к биологическому гидроксиапатиту.
            Еще в конце XIX — начале XX века проводились исследования, которые базировались на изучении деминерализованной костной ткани, то есть мертвой ткани того же самого пациента. Проблема состоит в том, что существует дефект определенного размера и определенной геометрии. Этот дефект нужно заместить каким-то материалом, иначе не будут происходить процессы остеогенеза, то есть не будет расти новая костная ткань, нарушится биомеханика и в результате пациент останется инвалидом. Поэтому задачей исследователей был поиск таких материалов.
            Вначале использовали деминерализованные ткани ‒ как животных, так и самого человека. Для этих материалов есть определения. Так называемые ксенотрансплантаты — материалы, которые берутся от животных, обрабатываются определенным способом, и получается материал для замещения костного дефекта. Есть аллотрансплантаты — берутся от скончавшихся пациентов. Есть другой тип трансплантата — аутотрансплантаты, когда берется кость у пациента. Например, берется кость из ребра и подсаживается в место дефекта на челюстно-лицевой зоне.
            Все эти материалы имеют определенные недостатки. Так, ксенотрансплантаты могут служить источником вирусных заболеваний. Помимо этого, они не будут достаточно биосовместимы с организмом человека-реципиента. Если говорить о проблемах аутотрансплантатов, то объем тканей достаточно ограничен, то есть нельзя вырезать большой объем костной ткани, допустим, из ребра, чтобы переместить его в другое место в организме.
            Таким образом, встал вопрос о создании синтетических материалов. Неорганическая составляющая — это биологический гидроксиапатит, поэтому были разработаны различные подходы по его синтезу. Эти работы были начаты в конце XIX — начале XX века, тогда использовали гидроксиапатит природного происхождения или синтетический гидроксиапатит. Было показано, что данный материал является биосовместимым, его можно применять при замещении дефектов костной ткани. В дальнейшем эти работы получили развитие в 60–70-х годах, в том числе в Японии. Исследователи установили, что такие материалы, обладающие определенной структурой, могут абсорбировать белки крови и таким образом могут служить для замещения тканей. Впоследствии мы пришли к тому, что данные керамические материалы получили достаточно широкое распространение в травматологии, ортопедии, в челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии.
            Нужно отметить, что в 80–90-х годах использовали синтетический гидроксиапатит. Но в настоящее время в клинической практике его практически не используют. Почему это произошло? Потому что синтетический гидроксиапатит — это наиболее стойкий, нерастворимый в организме материал. А какая тенденция в материалах должна быть? У материала должны быть определенные свойства, которые достаточно хорошо известны специалистам.
            Первое — материал должен быть биосовместимым, то есть не отторгаться организмом человека. Во-вторых, материал должен биодеградировать, рассасываться, растворяться со временем и замещаться новообразованной костной тканью. Третий основной параметр — этот материал должен нести определенные механические нагрузки и, помимо всего этого, обладать определенной структурой, так называемой архитектоникой, пористостью, взаимосвязью пор, чтобы обеспечить васкуляризацию, т.е. рост сосудов и потоки биологических жидкостей в этом материале.
            Не рассасывающийся в организме гидроксиапатит на данный момент не применяется, и усилия ученых направлены на то, чтобы создать синтетический материал на основе тех же самых фосфатов кальция, которые будут наиболее биосовместимы с организмом и впоследствии будут биодеградировать и растворяться, но при этом замещаться костной тканью. Поэтому работы направлены на различные фосфаты кальция, такие как трикальцийфосфат Са3(РО4)2, октокальцийфосфат и предшественника октокальцийфосфата дикальцийфосфат дигидрат CaHPO4·2H2O, с целью получения наиболее оптимальных материалов.
            При этом любой материал является остеокондуктивным. Определение остеокондукции таково: материал служит матриксом, подложкой для строительства тканей, но он не стимулирует рост костной ткани. Последняя тенденция — это создание биоинженерных конструкций, когда к определенному неорганическому материалу добавляется органическая составляющая. Но ключевым моментом является сам материал.
            Для инженерии костной ткани используют различные материалы: керамику, полимеры. Определенные перспективы представляет собой использование полимерных материалов, в отличие от керамики, так как керамика по своей природе является хрупкой, особенно кальцийфосфатная керамика — ее прочность при сжатии, при растяжении не достигает требуемых значений, которые сравнимы с костной тканью у пациента. Поэтому другой путь развития биосовместимых материалов — это создание биополимерных конструкций для этих же целей. В основном используют материалы на основе двух классов — это условно биополимеры и синтетические материалы.
            Примерами биополимеров являются такие материалы, как коллаген, полисахариды. Полисахариды включают в себя различные хитозаны, альгинаты и пектин. Это наиболее представительные классы биополимеров, которые используются для создания как имплантатов, так и матрикса для носителей различных биоактивных веществ.
            Полимеры обладают достаточно большим преимуществом: изменяя молекулярный вес, подбирая технологии обработки, способы полимеризации и минерализации этих полимеров, можно создать материалы с достаточно высокими прочностными свойствами, с заданной эластичностью. Определенные перспективы представляет собой создание эластичных губок. Это представить себе так: полимер растворяется в водном растворе, потом вспенивается со специальным вспенивающим агентом, замораживается методом лиофильной сушки, чтобы убрать воду, и в результате получается губка. Эта губка эластична, и эластичность ее составляет до 80–90%. Таким образом, этот эластичный материал можно поместить, допустим, в дефект костной ткани, где эта губка распрямится и займет полный объем этого дефекта.
            Другой путь — это создание композиционных материалов на основе керамики и на основе органических полимеров, таких как коллаген. Для этого существует несколько технологий. Они достаточно широко применяются в создании этих материалов. Одна из самых примитивных, которая используется уже достаточно давно, — это механическое смешение полимера с керамическим порошком или агломератами. Таким образом, создается композит, в котором полимер армирован частицами фосфатов кальция. Есть обратная технология, когда используют керамический каркас, который пропитывают полимером, упрочняя таким образом саму керамику и обеспечивая нанесение определенного слоя на поверхность пор керамического материала.
            Есть третий альтернативный подход, который развивается достаточно недавно, — это использование так называемых аддитивных технологий, когда с использованием быстрого прототипирования — это может быть стереолитография, печать, то есть послойное создание образов на основе определенной информации — можно создавать по моделям определенные материалы, в том числе композиты с использованием как полимеров, так и керамики.
            Самый простой пример: пациент попал в госпиталь, у него дефект кости, ему нужно заместить этот дефект каким-то определенным материалом. Ему в этом учреждении делается компьютерная томография или ЯМР-томография, по данным снимка создается компьютерный образ, данный сигнал подается на 3D-принтер, и принтер печатает запасную часть для замещения дефекта костной ткани конкретного пациента.
            Это на данный момент реализуется в различных направлениях и не является отдаленным будущим ‒ это ближайшее будущее. Ведутся различные разработки в данном направлении — как по созданию просто керамических материалов путем струйной трехмерной печати, так и по созданию материалов на основе полимеров с использованием подходов стереолитографии — один из самых ярких примеров. Данные материалы находятся на уровне научно-исследовательских работ, поэтому в перспективе возможно создание таких материалов, которые могут быть просто напечатаны на каком-то определенном принтере с использованием определенных моделей и образов.
 
Доска объявлений

Заседание Ученого совета

XIV Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов "ФИЗИКО-ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ" с международным участием, 17—20 октября 2017 г., г. Москва, ИМЕТ РАН

Положение о закупке товаров, работ, услуг ИМЕТ РАН

Книга
Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН
75 лет

Оборудование ИМЕТ РАН

Совет молодых ученых ИМЕТ РАН

Информационные ресурсы, бесплатные для сотрудников ИМЕТ РАН

Электронно-библиотечная система IPRbooks для аспирантов

Новости

16.11.17 13-ая Международная конференция по сверхпластичности перспективным материалам, с 19-22 августа 2018 г., г. Санкт-Петербург

15.11.17 Всероссийская конференция с международным участием «Химия твердого тела и функциональные материалы – 2018» и XII симпозиум «Термодинамика и материаловедение», 21-27 мая 2018 г., г. Санкт-Петербург, Физико-технического институт им. А. Ф. Иоффе.

09.11.17 Семинар: «Современные настольные сканирующие электронные микроскопы компании «Phenom-World BV» (Нидерланды) – системы получения изображений и анализа», 30 ноября 2017 года, г. Москва, ул. Обручева д. 34/63 стр.2

20.10.17 III Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 60-летию ИХТРЭМС КНЦ РАН «Исследования и разработки в области химии и технологии функциональных материалов»

20.10.17 XXII МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ СИМПОЗИУМ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М.А. УСОВА СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ «ПРОБЛЕМЫ ГЕОЛОГИИ И ОСВОЕНИЯ НЕДР», 2–7 апреля 2018 г.

17.10.17 The Sixteenth Young Researchers’ Conference – Materials Science and Engineering, December 6-8, 2017, Belgrade, Serbia.

12.10.17 Научно-технический семинар по перспективным керамическим материалам, 11:00 26 октября 2017г., Москва, ул. Автозаводская, д. 16, лаборатории Центра Коллективного Пользования «Наукоёмкие технологии в машиностроении» (ЦКП «НТМ»).

12.10.17 V Международный форум "Композиты без границ", 18 октября 2017 г., Россия, Москва, Технополис "Москва", Волгоградский проспект 42, корпус 5, Конгресс центр

Все Новости...

Проекты по ФЦП
Дополнительные ссылки

Высшая аттестационная комиссия (ВАК РФ)

РФФИ

РНФ

Министерство образования и науки РФ

Российское химическое общество им. Д.И. Менделеева

Российская академия наук

Федеральное агентство научных организаций (ФАНО России)

Россия, Москва, 119334, Ленинский пр-т., 49
тел.: +7 (499) 135-2060, факс: +7 (499) 135-8680, imet@imet.ac.ru
© 2006-2017 ИМЕТ РАН