Современные полимерные композиционные материалы для костной хирургии: проблемы и перспективы

Objectives. To discuss the main problems and prospects of creating modern osteoplastic materials based on polymer compositions used for bone surgery.Methods. This review summarizes the research works devoted to the creation of materials used for bone implants and issues involved in their practical testing, as well as analyzes and synthesizes data of scientific articles on the following topics: rationale for the use of biodegradable materials in bone surgery; biodegradation and bioreparation bone graft processes; requirements for degradable polymer composite materials (PCMs) for biomedical applications; overview of polymeric materials suitable for use in implant practice; impact of modifications of the PCM on the structure and biological activity of the material in biological media; effect of exhaust and heat treatment on the molecular structure of polyalkanoates.Results. The most promising biodegradable resorbable materials for reparative bone surgery to date are compared. The requirements for these types of materials are formulated and a rationale for their use is provided that takes into account the advantages over traditional metal and ceramic implants. The features of the kinetics and mechanism of biodegradation of implants in their interaction with the bone biological environment of the body from the moment of implant insertion to complete wound healing are considered. As a result of the analysis, factors that may affect the activity of implant decomposition and methods of adjusting the decomposition rate and mechanical characteristics of the material, such as chemical functionalization, the creation of block copolymers, the inclusion of fibers and mineral fillers in the composite, as well as heat treatment and extraction of the composite at the manufacturing stage, were identified. Among the main factors, the influence of the structure of the composite material on its biological activity during interaction with biological media was evaluated. Of polymer materials, the main attention is paid to the most common biodegradable polymers widely used in medicine: polyhydroxybutyrate (PHB) of microbiological origin, polylactide (PLA) and other polymers based on polylactic acid, polycaprolactone (PCL). The effect of their modification by such additives as hydroxyapatite (HAP), chitin and chitosan, and beta-tricalcium phosphate (β-TCF) is considered. Materials based on PHB are concluded as the most promising due to their complete biodegradability to non-toxic products (carbon dioxide and water) and good biocompatibility. Nevertheless, existing compositions based on PHB are not without disadvantages, which include fragility, low elasticity, unstable behavior under high-temperature exposure during processing, implant molding, sterilization, etc., which requires improvement both in terms of polymer modification and in terms of composition of compositions.Conclusions. The review considers approaches to achieving the properties of materials required for perfect implants. The main requirements for implants are optimization of the time of resorption of the osteoplastic matrix, facilitating the resorption of the osteoplastic matrix synchronized in time with the process of bone regeneration. To achieve these requirements, it is necessary to apply technologies that include modification of polymer composite materials by affecting the chemical composition and structure; introduction of fillers; use of chemical functionalization, orientation extraction, heat treatment. The success of using bone materials based on biodegradable polymers is based on an accurate understanding of the mechanism of action of various components of the implant composition and strict compliance with the tightening regulatory requirements of implantation technology.Цели. Обсуждение основных проблем и перспектив создания современных остеопластических материалов на основе полимерных композиций, используемых для костной хирургии.Методы. Обзор суммирует научно-исследовательские работы, посвященные созданию материалов, применяемых для костных имплантатов, и их испытанию на практике, анализирует и обобщает данные научных статей по следующим разделам: обоснование использования биоразлагаемых материалов в костной хирургии; закономерности биодеградации и биорепарации костного имплантата; требования, предъявляемые к разлагаемым полимерным композиционным материалам (ПКМ) для биомедицинских применений; обзор полимерных материалов, пригодных для использования в имплантационной практике; влияние модификации ПКМ на структуру и биологическую активность материала в биосредах; влияние вытяжки и термической обработки на молекулярную структуру полиалканоатов.Результаты. Рассмотрены наиболее перспективные на сегодняшний день биоразлагаемые резорбируемые материалы для репаративной костной хирургии. Сформулированы требования, предъявляемые к данным типам материалов, и дано обоснование их использования с учетом преимуществ по сравнению с традиционными металлическими и керамическими имплантатами. Рассмотрены особенности кинетики и механизма биодеградации имплантатов при их взаимодействии с костными биосредами организма от момента введения имплантата до полного заживления раны. В результате проведенного анализа были установлены факторы, которые могут повлиять на активность разложения имплантата и методы корректировки скорости разложения и механических характеристик материала, такие как химическая функционализация, создание блок-сополимеров, включение в состав композита волокон и минеральных наполнителей, а также термообработка и вытяжка композита на стадии изготовления. Среди основных факторов было оценено влияние структуры композиционного материала на его биологическую активность при взаимодействии с биосредами. Из полимерных материалов основное внимание уделено наиболее распространенным биодеградируемым, широко используемым в медицине полимерам: полигидроксибутирату (ПГБ) микробиологического происхождения, полилактиду и другим полимерам на основе полимолочной кислоты, поликапролактону. Рассмотрены их модификации с такими добавками, как гидроксиапатит, хитин и хитозан и бета-трикальцийфосфат. По итогам работы наиболее перспективными оказались материалы на основе ПГБ благодаря его полной биоразлагаемости на нетоксичные для организма продукты (углекислый газ и вода) и хорошей биосовместимости. Тем не менее, существующие композиции на основе ПГБ имеют недостатки, к которым относятся хрупкость, низкая эластичность, нестабильное поведение при высокотемпературном воздействии при переработке, формовании имплантатов, стерилизации и др. Это требует доработки композиций как в плане модификации полимера, так и по составу.Выводы. В обзоре рассмотрены подходы к достижению свойств материалов, требуемых для совершенных имплантатов. Основными требованиями, предъявляемыми к имплантатам, являются оптимизация времени резорбции остеопластического матрикса, облегчение рассасывания остеопластического матрикса, синхронизированного по времени с процессом регенерации кости. Для достижения этих требований необходимо применять технологии, которые включают модификацию ПКМ путем воздействия на химический состав и структуру; введение наполнителей; использование химической функционализации, ориентационной вытяжки, термической обработки. Успех использования костных материалов на основе биодеградируемых полимеров основан на точном понимании механизма действия различных компонентов композиции для имплантата и строгом соответствии с ужесточающимися нормативными требованиями технологии имплантации

СПОСОБЫ БОРЬБЫ С БИОПЛЕНКАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

One of the harmful factors of the interaction of microorganisms with the technosphere is the formation of biofilms on the surface of various products. Steady colonies of bacteria ensure a stable contamination of the handling medium of the product, and their release is a cause of biodestructive processes in materials. In many cases, single or even regular antimicrobial treatment does not lead to complete suppression of colony formation. Therefore, today the most demanded methods of preventing biofilms formation involve the creation of materials that are resistant to colonization by bacteria. Since bacteria cells directly interact with the surface of the material, it is the surface that should have antibacterial properties. In the review, various methods of preventing the formation of biofilms by the example of polymeric materials are considered. The main attention is paid to the methods of creating antibacterial surfaces, which in various ways prevent the formation of biofilms. In accordance with the world practice, all antibacterial surfaces are divided into four types: releasing, contact-active, repelling and self-polishing. The advantages and disadvantages of each type of antibacterial surfaces, their existing limitations in use and prospects for further development are noted. Information on the compatibility of individual types of surfaces is also noted in the literature.Одним из вредных факторов взаимодействия микроорганизмов с техносферой является образование биопленок на поверхности различных изделий. Устойчивые колонии бактерий обеспечивают стабильное заражение рабочей среды изделия, а их выделения служат причиной биодеструктивных процессов в материалах. Во многих случаях разовая или даже регулярная антимикробная обработка не приводят к полному подавлению колониеобразования. Поэтому сегодня наиболее востребованы такие методы борьбы с биопленками, которые предполагают создание материалов, устойчивых к колонизации бактериями. Поскольку клетки бактерий непосредственно взаимодействуют с поверхностью материала, именно поверхность и должна обладать антибактериальными свойствами. В обзоре рассмотрены различные способы борьбы с образованием биопленок на примере полимерных материалов. Основное внимание уделено методам создания антибактериальных поверхностей, различным образом препятствующих образованию биопленок. В соответствии с мировой практикой, все антибактериальные поверхности разделены на четыре типа - высвобождающие, контакт-активные, отталкивающие и самоочищающиеся. Отмечены достоинства и недостатки каждого типа антибактериальных поверхностей, имеющиеся ограничения в использовании, перспективы дальнейших разработок. Обсуждается вопрос о том, что самоочищающиеся поверхности, весьма эффективные для защиты от прикрепления бактерий, в целом недооценены и требуют развития в новых областях применения, помимо защиты конструкций от биообрастания в море. Приведены имеющиеся в литературе сведения о сочетаемости отдельных типов поверхностей. Согласно литературным данным, сочетание двух или нескольких типов антибактериальных поверхностей имеет перспективы развития, так как позволяет взаимно нивелировать недостатки каждой из них

Низкочастотное электромагнитное облучение зерна в зерноуборочном комбайне

Treatment of crop seeds by low-frequency electromagnetic field contributes to obtaining high and stable yields. After this treatment in a laboratory environment crop production can increase from 15 to 40 percent. To research an effect of magnetic field on a seed material in the field we developed technological design for a seeds treatment in a combine harvester «Enisey-1200 NМ». Three modules of low frequency electromagnetic waves source were mounted in the design of transporting working elements from the threshing apparatus to the grain tank for the impact they have on the moving of freshly threshed grain portion. Conditions of magnetization of seeds vere varied. Influence of modes of grain treatment at threshing of spring wheat in a harvester on the effectiveness of the stimulation vere researched. A comparative laboratory analysis of quality of grain, magnetic directly in the harvester, and 3 months after thrashing showed that the new technology allows to increase sowing qualities of grain. Electromagnetic irradiation of grain in a harvester increases the germination of seeds from 6 to 20 percent, germination energy about 30 percent, also raises the weight of the plant parts and more qualitatively clears seeds of a peel that promotes best storage. Regime of magnetization determines a germination ability and readiness og seeds. The most pronounced effect of the grain magnetization is observed under irradiation becomes apparent for more than 9 minutes. Irradiation of grain placed in the hopper of the combine is more effective. The optimum parameters of electromagnetic radiation is a frequency equaled to 16 Hz, the value of magnetic induction of 6 mT. We proposed to extend the technology field stimulation of seeds with low-frequency magnetic field in order to increase germination and yield of different crops. An application of the proposed design of the electromagnetic module for any model and size of modern types of grain and rice harvesters can be extended.Обработка семян культурных растений низкочастотным электромагнитным полем способствует получению высоких и устойчивых урожаев. Установили, что после такой обработки в лабораторных условиях прирост урожайности растений может составить 15-40 процентов. Проведены исследования по изучению воздействия магнитного поля на семенной материал в полевых условиях. С этой целью разработали технологическую конструкцию, обеспечивающую обработку семян в зерноуборочном комбайне «Енисей-1200 НМ». В конструкции транспортирующих рабочих органов от молотильного аппарата до зернового бункера были вмонтированы 3 модуля источника низкочастотных электромагнитных колебаний для воздействия ими на порцию перемещающегося свежеобмолоченного зерна. Условия омагничивания семян варьировали. Провели исследование влияния режимов обработки зерна в процессе обмолота яровой пшеницы в зерноуборочном комбайне на эффективность стимуляции. Сравнительный лабораторный анализ качества зерна, омагниченного непосредственно в комбайне, а также через 3 месяца после обмолота показал, что предложенная новая технология позволяет повысить его посевные характеристики. Установили, что электромагнитное облучение зернового вороха в зерноуборочном комбайне повышает всхожесть семян на 6-20 процентов, энергию прорастания семян - приблизительно на 30 процентов, увеличивает массу растительной части, а также качественнее очищает семена от шелухи, что способствует лучшему его хранению. Выяснили, что всхожесть и энергия прорастания семян определяются режимом омагничивания. Наиболее явно выраженный эффект омагничивания зерна наблюдается при продолжительности облучения более 9 минут. Это означает, что более эффективно облучать зерно, собранное в бункер комбайна. Выявили оптимальные параметры электромагнитного облучения: частота - 16 Гц, величина магнитной индукции - 6 мТл. Предложили распространить полевую технологию стимуляции семян низкочастотным магнитным полем с целью увеличения их всхожести и повышения урожайности растений на разные виды зерновых культур и расширить применение конструкции электромагнитного модуля для любой модификации и типоразмера современных видов зерно- и рисоуборочных машин

ИННОВАЦИОННЫЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Development of ecodegradable materials and use of them in innovative technology of sowing of seeds of grain crops in a tape isan important and actual problem of polymeric chemistry. Material is affected by programmable destruction under the influence of natural factors taking into account the biochemical processes in a plant. At the present time in literature there are no the data about polymeric materials which can operate plants biochemical processes when contacting to root system of directly in the soil. The authors developed compositions on the basis of synthetic polymer - low density polyethylene (LDPE) and biodegradable polymer - a polylactide (PLA). Thermophysical properties of ecofilms change under the influence of ultra-violet radiation. Photooxidation leads to cracking of samples with the raised maintenance of PLA. Temperature of melting of PLA decreases from 165 to 152 degrees Celsius (in some compositions to 137 degrees) and crystallinity degrees lower on average by 20 percent. Thus the most considerable decrease in crystallinity (about 30 percent) is noted in composition with a ratio of components of 50:50 mass percent. A composition formulation affects on the speed of destructive influence of moisture and an ultraviolet. The speed advantage of these processes is characteristic for the compositions containing from 30 to 60 mass percent of PLA. The soil samples with the maintenance of PLA more than 30 mass percent will be in less time exposed to biodegradation. Composition 50:50 has the greatest loss of weight equaled 18 percent. For other samples relative loss of weight makes 5-10 percent. The test for biodestruction showed considerable change of properties of polymeric samples of PLA- LDPE depending on mix composition. It means that it is possible to select such ratio of components at which material properties would conform to requirements imposed to agricultural appointment films.Разработка биодеградируемых, экоразрушающихся материалов с целью их использования в инновационной технологии посадки семян зерновых культур в ленту - важная и актуальная задача полимерной химии. Она сводится к обеспечению программируемой деструкции материала под воздействием природных факторов с учетом биохимических процессов, протекающих в ходе развития растения. На сегодняшний день в литературе отсутствуют данные, посвященные полимерным материалам, способным, контактируя с корневой системой растений непосредственно в почве, управлять их биохимическими процессами. Разработали композиции на основе синтетического полимера - полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и биоразлагаемого полимера - полилактида (ПЛА). Определили теплофизические параметры экопленок и выявили закономерности их изменения под действием ультрафиолетового излучения. Установили, что фотоокисление приводит к растрескиванию образцов с повышенным содержанием ПЛА. Обнаружили значительное снижение температуры плавления ПЛА со 165 до 152 градусов Цельсия (в некоторых композициях до 137 градусов) и степени кристалличности - в среднем на 20 процентов. При этом самое значительное снижение кристалличности (около 30 процентов) отмечается в композиции с соотношением компонентов 50:50 массовых процентов. Определили влияние состава композиции на скорость деструктивного воздействия влаги и ультрафиолета. Отметили, что бóльшая скорость этих процессов характерна для композиций, содержащих от 30 до 60 массовых процентов ПЛА. Показали, что биоразложению в почве быстрее будут подвергаться образцы с содержанием ПЛА больше 30 массовых процентов. Наибольшая потеря массы отмечается у композиции 50:50 - 18 процентов. Для остальных образцов относительная потеря массы составляет 5-10 процентов. Тест на биоразрушение продемонстрировал значительное изменение свойств полимерных образцов ПЛА-ПЭНП в зависимости от состава смеси. Это значит, что можно подобрать такое соотношение компонентов, при котором свойства материала соответствовали бы требованиям, предъявляемым к пленкам сельхозназначения

БИОДЕГРАДИРУЕМЫЕ ПОЛИМЕРЫ КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВЫСЕВА СЕМЯН ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Increase of efficiency of grain production, solution of problems of food security demand search and development of innovative technologies at all stages. One of ways of environmentally friendly production is sowing of seeds on an excipient located in the soil, for example, nonwoven fabric made of eco- decomposable decomposed biodegraded polymer. Biodegraded polymeric materials influence on sowing properties of grain crops seeds and provide realization of their potential productivity. The authors used an electroforming method with chloroform and a dichloroethane application to receive nonwoven fabric from poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and its compositions together with synthetic nitrile rubber (PHB-SNR). Polymeric material influences on energy of germination and viability of wheat seeds. Germination index is calculated, heat physical parameters are determined for the polymeric excipient. The major factor influencing seeds germination is a structure of nonwoven fabric. Water diffusion, its supply to seeds and their viability depend on morphological features of polymeric material. Polymer excipient structure influence on speed of development of root system on which, in turn, intensity of destruction of polymer depends. The best indicators of energy of germination and viability of seeds correspond to the greatest value of decrease of melting heat of PHB in mix PHB-SNR. In addition, among the studied samples of PHB-SNR the material received from blend of solvents is most effective. The cause is in feature of its structure favorable for a seed germination.Повышение эффективности зернового производства, решение проблем продовольственной безопасности требуют поиска и освоения инновационных технологий на всех этапах. Показали, что один из способов получения экологически чистой продукции - высев семян на располагаемый в почве носитель, в качестве которого предложили нетканый материал из экоразлагаемого биодеградируемого полимера. Определили влияние биодеградируемых полимерных материалов на посевные свойства семян зерновых культур, обеспечивающих реализацию их потенциальной продуктивности. Методом электроформования с использованием хлороформа и дихлорэтана получили нетканый материал из поли-3-гидроксибутирата (ПГБ) и композиции из указанного полимера и синтетического нитрильного каучука (ПГБ-СКН). Исследовали влияние полимерного материала на энергию прорастания и всхожесть семян пшеницы. Рассчитали индекс прорастания, определили теплофизические параметры полимерного носителя. Установили, что основной фактор, влияющий на прорастание семян, - это структура нетканого материала. Выявили, что от морфологических особенностей полимерного материала зависят диффузия воды, ее подвод к семенам и их всхожесть. Определили влияние структуры полимера-носителя на скорость развития корневой системы, от которой, в свою очередь, зависит интенсивность разрушения полимера. Наилучшие показатели энергии прорастания и всхожести семян соответствуют наибольшему значению падения теплоты плавления ПГБ в смеси ПГБ-СКН. Причем среди исследуемых образцов ПГБ-СКН наиболее эффективен материал, полученный из смеси растворителей. Это объясняется особенностью его структуры, благоприятной для проращивания семени

METHODS OF PREVENTING BIOFILMS FORMATION ON THE SURFACES OF POLYMER MATERIALS

One of the harmful factors of the interaction of microorganisms with the technosphere is the formation of biofilms on the surface of various products. Steady colonies of bacteria ensure a stable contamination of the handling medium of the product, and their release is a cause of biodestructive processes in materials. In many cases, single or even regular antimicrobial treatment does not lead to complete suppression of colony formation. Therefore, today the most demanded methods of preventing biofilms formation involve the creation of materials that are resistant to colonization by bacteria. Since bacteria cells directly interact with the surface of the material, it is the surface that should have antibacterial properties. In the review, various methods of preventing the formation of biofilms by the example of polymeric materials are considered. The main attention is paid to the methods of creating antibacterial surfaces, which in various ways prevent the formation of biofilms. In accordance with the world practice, all antibacterial surfaces are divided into four types: releasing, contact-active, repelling and self-polishing. The advantages and disadvantages of each type of antibacterial surfaces, their existing limitations in use and prospects for further development are noted. Information on the compatibility of individual types of surfaces is also noted in the literature

Low-frequency electromagnetic iirradiation treatment of grain in harvester

Treatment of crop seeds by low-frequency electromagnetic field contributes to obtaining high and stable yields. After this treatment in a laboratory environment crop production can increase from 15 to 40 percent. To research an effect of magnetic field on a seed material in the field we developed technological design for a seeds treatment in a combine harvester «Enisey-1200 NМ». Three modules of low frequency electromagnetic waves source were mounted in the design of transporting working elements from the threshing apparatus to the grain tank for the impact they have on the moving of freshly threshed grain portion. Conditions of magnetization of seeds vere varied. Influence of modes of grain treatment at threshing of spring wheat in a harvester on the effectiveness of the stimulation vere researched. A comparative laboratory analysis of quality of grain, magnetic directly in the harvester, and 3 months after thrashing showed that the new technology allows to increase sowing qualities of grain. Electromagnetic irradiation of grain in a harvester increases the germination of seeds from 6 to 20 percent, germination energy about 30 percent, also raises the weight of the plant parts and more qualitatively clears seeds of a peel that promotes best storage. Regime of magnetization determines a germination ability and readiness og seeds. The most pronounced effect of the grain magnetization is observed under irradiation becomes apparent for more than 9 minutes. Irradiation of grain placed in the hopper of the combine is more effective. The optimum parameters of electromagnetic radiation is a frequency equaled to 16 Hz, the value of magnetic induction of 6 mT. We proposed to extend the technology field stimulation of seeds with low-frequency magnetic field in order to increase germination and yield of different crops. An application of the proposed design of the electromagnetic module for any model and size of modern types of grain and rice harvesters can be extended

Innovative agricultural materials

Development of ecodegradable materials and use of them in innovative technology of sowing of seeds of grain crops in a tape isan important and actual problem of polymeric chemistry. Material is affected by programmable destruction under the influence of natural factors taking into account the biochemical processes in a plant. At the present time in literature there are no the data about polymeric materials which can operate plants biochemical processes when contacting to root system of directly in the soil. The authors developed compositions on the basis of synthetic polymer - low density polyethylene (LDPE) and biodegradable polymer - a polylactide (PLA). Thermophysical properties of ecofilms change under the influence of ultra-violet radiation. Photooxidation leads to cracking of samples with the raised maintenance of PLA. Temperature of melting of PLA decreases from 165 to 152 degrees Celsius (in some compositions to 137 degrees) and crystallinity degrees lower on average by 20 percent. Thus the most considerable decrease in crystallinity (about 30 percent) is noted in composition with a ratio of components of 50:50 mass percent. A composition formulation affects on the speed of destructive influence of moisture and an ultraviolet. The speed advantage of these processes is characteristic for the compositions containing from 30 to 60 mass percent of PLA. The soil samples with the maintenance of PLA more than 30 mass percent will be in less time exposed to biodegradation. Composition 50:50 has the greatest loss of weight equaled 18 percent. For other samples relative loss of weight makes 5-10 percent. The test for biodestruction showed considerable change of properties of polymeric samples of PLA- LDPE depending on mix composition. It means that it is possible to select such ratio of components at which material properties would conform to requirements imposed to agricultural appointment films