Проекты по ФЦП→Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы

Проведение прикладных научных исследований по созданию нового композиционого медицинского изделия кава-фильтр

Выполняется на основании Соглашения о предоставлении субсидии №14.604.21.0196 от 26 сентября 2017 г.
Руководитель проекта – и.о. зам. директора ИМЕТ РАН по научной работе, чл.-корр. РАН А.Г.Колмаков
Срок выполнения 2017-19 г.г.

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидий от 26.09.2017 г. №14.604.21.0196 с Минобрнауки Росии в рамках федеральной целевой программы " Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014-2020 годы" на этапе №1 в период с 29.10.2017г по 31.12.2017г. выполнялись следующие работы:

Работы Получателя за счет собственных средств, затраты которых возмещаются Субсидией

1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2010 –2017 гг.

1.2 Патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96.

1.3 Исследования по получению сплава состава Ti-Nb(20-30%)-Ta(10-13%)-Zr(5%), в т.ч. определения оптимального развеса слитков Ti-Nb-Ta-Zr при плавке на вакуумных электродуговых печах.

1.4 Получение полуфабрикатов из сплава Ti-Nb-Ta-Zr различного состава в виде прутков сечением 3,8-4,2 мм путем первичного гомогенизирующего отжига и обработки давлением слитков.

1.5 Разработка принципиально новой технологии получения проволоки из сплава Ti-Nb-Ta-Zr с диаметром 280 мкм

1.6 Комплексные исследования однородности распределения элементов сплава Ti-Nb-Ta-Zr при помощи Оже-спектрометрии, фазового состава с помощью рентгеновской дифрактометрии, структуры на оптическом, сканирующем микроскопах.

1.7 Создание модельных покрытий – пленок на основе хитозана, полилактида, поли(гликолид-лактида) различной молекулярной массы и концентрации.

1.8 Проведение исследования механических свойств разработанных полимерных пленок

Работы Получателя, выполняемые за счет собственных средств из внебюджетных источников

1.9 Материально-техническое обеспечение экспериментальных работ этапа.

Работы Получателя, выполняемые за счет средств Индустриального партнера

1.10 Материально-техническое обеспечение экспериментальных работ этапа.

Работы Индустриального партнера, выполняемые за счет собственных средств из внебюджетных источников

1.11 Материально-техническое обеспечение экспериментальных работ этапа.

1.12 Проведение исследования биологических свойств разработанных полимерных пленок.

1.13 Технико-экономическая оценка рыночного потенциала ПНИ

При этом были получены следующие результаты:

При выполнении пункта 1.1 установлено , что в мировой практике используется достаточно большой набор кава-фильтров, прошедших проверку временем. Однако среди них нет фильтрующих устройств, полностью удовлетворяющих всем предъявляемым к ним требованиям. Поэтому постоянно на медицинском рынке появляются новые кава-фильтры, отличающиеся механизмом тромбоулавливания, особенностями фиксации и центрирования в нижней полой вене, технологией имплантации и удаления, формой и размерами. Также варьируются и материалы, используемые для производства данных имплантатов. И те тоже имеют свои достоинства и недостатки. Предполагается, что получение сплавов на основе титана – ниобия, легированных танталом и цирконием, позволит создать материал с эффектом памяти формы, способствующим удобной установки кава-фильтров в организме, с высокими прочностными, коррозионными характеристиками, а также повышенной биосовместимостью. Помимо разработок в области металлических конфигураций кава-фильтров активные исследования ведут в направлении создания новой функциональной поверхности – антипролиферативного и антитромботического действия. Наиболее эффективными для закрепления лекарственных средств себя показывают полимерные покрытия. Важным параметром для внедрения лекарственных препаратов в полимерную матрицу является выбор самих биосовместимого полимера и лекарственного средства. В этой области также на настоящий момент не выявлено лидера, лишенного недостатков.

Для выполнения пункта 1.2 было проведено патентное исследование по материалам, покрытиям и форм-факторам Кава-фильтров на этапе Государственного контракте №14.604.21.0196 от 26 сентября 2017г. В ходе исследования проанализированы отечественные и международные научно-технические разработки связанные с созданием кава-фильтров, в частности на металлической основе с полимерными покрытиями. Используемые сегодня стальные и нитиноловые медицинские изделия обладают определенными недостатками которые можно ликвидировать заменив сплав на TiNbTaZr. Данный сплав обладает биологической совместимостью, ЭПФ и высокой коррозионной стойкостью, а так же не содержит токсических элементов. Для снижения посттравматических осложнений будут использоваться введение биоактивных агентов, что является перспективным направлением по созданию покрытий с повышенной биосовместимостью. Состав и способ создания таких покрытий, а также способы контроля скорости высвобождения данных агентов могут быть объектами патентования

В ходе выполнения пункта 1.3 были обоснованы оптимальные диапазоны составов сплава Ti-Nb-Ta-Zr для применения в производстве медицинских изделий. Проведены исследования по получению сплава состава Ti-Nb(20-30%)-Ta(10-13%)-Zr(5%), в т.ч. определения оптимального развеса слитков Ti-Nb-Ta-Zr и числа переплавов при плавке на вакуумных электродуговых печах.

В результате выполнения пункта 1.4 были получены полуфабрикаты из сплава Ti-Nb-Ta-Zr различного состава в виде прутков сечением 3,8-4,2 мм путем первичного гомогенизирующего отжига , прокатки и ротационной ковки выплавленных слитков

В результате выполнения пункта 1.5 была отработана технология получения тонкой проволоки из сплавов системы Ti-Nb-Ta-Zr с помощью метода пластической деформации путем постепенного утончения прокаткой, ротационной ковкой, волочением и промежуточных отжигов.

В результате выполнения пункта 1.6 были проведены комплексные исследования структуры сплава Ti-Nb-Ta-Zr в виде образцов различной конфигурации от слитков до проволоки диаметром 280 мкм: однородности распределения элементов при помощи Оже-спектрометрии, фазового состава с помощью рентгеновской дифрактометрии, структуры на оптическом, сканирующем микроскопах, т.е. с использованием современных методов анализа металлических, функциональных, композиционных и наноматериалов. Использовалось оборудование ЦКП ИМЕТ РАН. Показано, что уже трехкратный переплав слитков позволяет получить достаточно гомогенный химический состав, но для дальнейшей выплавки слитков решено использовать семикратный переплав слитков. Масса слитков не сильно повлияла на однородность распределения элементов по сечению. Для дальнейшей выплавки слитков решено делать двадцатиграммовые навески. Заметно довольно равномерное распределение элементов по объему слитков, а также хорошее совпадение полученных величин концентраций металлов в сплаве с расчетными величинами, ожидаемыми на основании подобранных навесок шихтовых материалов. Отмечено, что равномерная структура получена для всех составов, до и после гомогенизирующего отжига. Был сделан вывод, что разработанная технология получения и обработки слитков успешно способствует выполнению поставленной перед ней задачи. Слиткам присуща дендритная структура, характерная для сплавов полученных литьем. Видны оси 1-ого, 2-ого и 3-его порядков. При этом ниобий и цирконий распределены равномерно по всему объему образцов, тантал сконцентрирован в самих дендритах, титан преимущественно находится в областях между осями дендрита, но встречается и в нем. Рентгеновская дифрактометрия свидетельствует, что элементы сплава не распределены в нем отдельными фрагментами, а соединены в единую структуру Оптимальная температура отжига сплавов Ti-(20-30)Nb-(10-13)Ta-5Zr отмечена в диапазоне от 600 до 900°С. Пластическая деформация слитков проходила с подогревом и отжигом до 600° на воздухе, но границы зерен не протравливаются при микроструктурном анализе, что свидетельствует об отсутствии рекристаллизации. Возможно формирование наноструктуры. Морфология проволок любого состава после волочения проявляет высокую неоднородность, в т.ч. перемежаются 2 типа поверхности различнго состава – наблюдаются участки с высоким содержанием углерода, предположительно оставшегося после волочения (использовалась углерод-содержащаяся смазка) и припекшийся во время многочисленных отжигов, и с высоким содержанием кислорода.

В результате выполнения пункта 1.7 были созданы модельные покрытия – пленки на основе хитозана, полилактида, поли(гликолид-лактида) различной молекулярной массы и концентрации. Отработана технология их получения. Сформированные плёнки отличаются однородностью и аморфностью. Для пленок полилактида и поли(гликолид-лактид) существенное значение имеет наблюдение, что в случае анализа поверхности полимерной пленки, обращенной в подложке, на которой она была выращена, заметно четкое соответствие морфологии этих поверхностей. Таким образом, наблюдается крайне высокая способность полимеров к заполнению впадин любой шероховатости, что должно способствовать высокой адгезии полимера к будущей основе разрабатываемого композиционного материала.

В результате выполнения пункта 1.8 были исследованы механически свойства полимерных пленок. Для хитозана, прочность при растяжении, а также деформация пленок зависит от концентрации и молекулярной массы. Наибольшую прочность 3,6 МПа при деформации 80 % демонстрируют образцы 3 масс. % среднемолекулярного хитозана. Повышение прочности и деформации при увеличении концентрации хитозана, обусловлено усилением взаимодействия между макромолекулами полимера за счет фиксации макромолекулярных цепей в равновесном положении, в котором наибольшей степени реализуются межмолекулярные взаимодействия. Эту зависимость можно наблюдать и в отношении высокомолекулярного хитозана. Полученные пленки имели максимальную прочность 2 МПа и деформацию 60 % при 3 масс. %.

В рамках пункта 1.9 проводились работы по обеспечению требуемыми материалами (лабораторная посуда, химические реактивы, суспензия моно-, поликристаллические, тигли, фильтровальная бумага, металлы и пр.) и оборудованием (сушильный шкаф, ультразвуковая ванна и др.), закупки требуемых канцелярских принадлежностей и расходных материалов к ЭВМ. Для обеспечения надлежащего функционирования оборудования, уполномоченные сотрудники ИМЕТ РАН проводили его техническое обслуживание согласно рекомендациям изготовителя в объеме работ, не влияющих на технические и метрологические его характеристики. Чтобы обеспечить качество исследований проводился внутрилабораторный контроль точности (правильности) согласно Плану/Графику на год, разработанному заведующими лабораториями.

В рамках пункта 1.10 была произведена оплата работы высококвалифицированных сотрудников Научно-производственной базы, на основе которой производились прокат, волочение, отжиги получаемых материалов.

В рамках пункта 1.11 проводились работы по обеспечению требуемых материалов и инструментов для оборудования (маркеры сред, растворители, химические реактивы, биологические среды, реагенты, лабораторная посуда и так далее). Осуществлялась закупка требуемых канцелярских принадлежностей (бумага, картриджи, тонеры) и расходных материалов к ЭВМ. Для обеспечения проведения работ по проекту производилась аренда нежилых помещений, своевременная заработная плата сотрудникам, и регулярные страховые взносы. Для обеспечения надлежащего функционирования оборудования, уполномоченные сотрудники проводили его техническое обслуживание согласно рекомендациям изготовителя, в объеме работ, не влияющих на технические и метрологические его характеристики.

В результате выполнения пункта 1.12 были исследованы биологические свойства полученных полимерных пленок. Исследование биологических свойств на данном этапе являются весьма важной задачей в связи с особенностями получения полимеров из-за характера растворителя.По результатам исследований, в целом, если на подложках из шлифованного нитинола можно регистрировать примерно 2500 клеток на одном квадратном миллиметре, для исследуемых подложек данный показатель может достигать 4000 клеток на одном квадратном миллиметре. Таким образом, токсичности всех образцов не обнаружено, что помимо прочего подтверждает предположение, что токсичный растворитель полностью испаряется при сушке полимерных пленок, независимо от концентрации раствора и толщины пленки. Природа полимера также не оказывает существенного влияния на показатели биосовместимости.

Для выполнения пункта 1.13 было проведен анализ рынка кава-фильтров и перспективы выхода на рынок российских производителей. Сделан вывод, что российский рынок является олигополией, имея небольшое количество участников и ощутимые сложности вхождения на рынок. При этом, на рынке отсутствуют российские производители, способные продавать материалы по значительно меньшим ценам. Выходя на российский рынок, производители должны обратить особое внимание на формирование стратегии ценообразования. Такая стратегия должна указывать на высокое качество материалов, при их ценовой доступности, что должно способствовать быстрому захвату большой доли российского рынка. Была предложена стратегия ценообразования, включившая в себя стратегию «повышенной стоимостной значимости» высококачественного продукта с установкой цены, ниже рыночной. При этом был сделан акцент на то, что цена на материал не должна изменяться во времени, что должно способствовать созданию позитивной оценки деятельности компании, как стабильной и непоколебимой ни при каких внутренних и внешних обстоятельствах.

В ходе работы были достигнуты все поставленные задачи этапа. Результаты полностью соответствуют техническому заданию соглашения о предоставлении субсидии от 26.09.2017 г. № 14.604.21.0196 «Проведение прикладных научных исследований по созданию нового композиционного медицинского изделия кава-фильтр». Достигнута цель научно-исследовательской работы по первому этапу: успешно разработана технология получения отдельных компонентов будущего композиционного материала, а именно: сплава состава Ti-Nb(20-30%)-Ta(10-13%)-Zr(5%) в виде образцов различной конфигурации от слитков до проволоки диаметром 280 мкм и модельных покрытий – пленок на основе хитозана, полилактида, поли(гликолид-лактида) различной молекулярной массы и концентрации. Полученные результаты НИР предполагаются для использования в сфере медицины, а именно в эндоваскулярной хирургии для изготовления имплантатов типа «кава-фильтр» с целью увеличения эффективного срока их использавния, уменьшения вероятности послеоперационных осложнений (например, рестенозов, воспаления и пр.) и придания изделиям дополнительных функциональных (терапевтических) характеристик.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.