Коллектив научно-исследовательской лаборатории полупроводниковой техники (НИЛ ПТ) филиала БНТУ «Научно-исследовательский политехнический институт» стал победителем конкурса Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда «БРФФИ – РНФ – 2026». Проект посвящен созданию электроактивных покрытий для титановых имплантатов. Это может кардинально изменить подход к лечению в травматологии, ортопедии и стоматологии.
Современная медицина располагает широчайшим арсеналом средств для замещения костных дефектов, однако большинство существующих решений основано на пассивном протезировании: имплантат выполняет функцию опоры, но не более того. Ученые БНТУ совместно с коллегами из Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (Томск) ставят задачу иного уровня – превратить поверхность имплантата в биоактивную среду, способную стимулировать клеточную активность и подавлять развитие патогенной микрофлоры.
Как пояснил заведующий НИЛ, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника и технологии» Константин Пантелеев, ключ к решению кроется в электрических свойствах материалов.
– Мы предлагаем сделать имплантат не просто механической опорой, а активным участником процесса регенерации. Наша идея заключается в создании интеллектуальных покрытий, генерирующих слабые электрические сигналы, имитирующие естественные биоэлектрические поля костной ткани. Это позволяет воздействовать на клетки остеобласты на молекулярном уровне, ускоряя и улучшая сращивание имплантата с костью, – отметил Константин Владимирович.
Помимо стимуляции остеоиндукции, покрытие выполняет еще одну важную функцию – антибактериальную защиту. Электрическое поле на поверхности снижает риск послеоперационных инфекций без применения антибиотиков. В совокупности это увеличивает срок службы имплантата и сокращает вероятность повторных операций.
Конечно, за плечами любого масштабного научного исследования стоит не только идея, но и команда профессионалов, способная ее реализовать. В случае с проектом по созданию интеллектуальных покрытий для имплантатов речь идет о коллективе с уникальными компетенциями.
– Именно на базе научно-исследовательской лаборатории полупроводниковой техники БНТУ реализуется этот проект, и как руководитель лаборатории я отвечаю за координацию исследований и выполнение наших задач. Научный руководитель проекта – Анатолий Жарин – является главным научным сотрудником лаборатории. Его научная деятельность в области зондовой электрометрии началась более 50 лет назад, и на протяжении всего этого времени коллектив лаборатории последовательно развивал методы бесконтактного контроля электрофизических параметров поверхностей. Сегодня у нас собралась команда высококлассных специалистов: инженеров-электронщиков, физиков, программистов.
Главное отличие подхода исследователей из БНТУ и ИФПМ СО РАН от работ зарубежных коллег – отказ от метода проб и ошибок. Мировая практика, как правило, выглядит так: синтезируется покрытие, проводится имплантация, через несколько месяцев оценивается результат. Это длительный и дорогостоящий путь, не дающий понимания фундаментальных механизмов. Ученые БНТУ, в свою очередь, предлагают инструмент, позволяющий заглянуть в природу процессов еще на этапе проектирования материала. В основе метода лежит измерение работы выхода электрона и электростатического потенциала с помощью цифрового электрометрического зонда собственной разработки.
– Мы можем не просто измерить интегральный заряд, а построить карту его распределения по поверхности с высоким разрешением. Толщина анализируемого слоя сопоставима с межатомным расстоянием, что позволяет относить наши методы к нанотехнологиям. В отличие от классического зонда Кельвина наши цифровые электрометрические зонды позволяют работать в том числе с диэлектрическими материалами – керамиками и полимерами, которые также используются для биосовместимых покрытий. Такого системного подхода, объединяющего прецизионную электрометрию с направленным синтезом биопокрытий нет ни у одной научной группы в мире.
Проект объединяет компетенции двух научных школ: белорусской и российской. Белорусская сторона отвечает за диагностику и метрологию: разработку физических и математических моделей формирования измерительного сигнала, создание цифровых зондов и программного обеспечения для картирования потенциала. В этой работе ученым БНТУ помогают коллеги из ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника», которые изготавливают модельные материалы на основе пористого анодного оксида алюминия для верификации методов.
Томские партнеры из ИФПМ СО РАН и Томского политехнического университета, в свою очередь, обладают компетенциями мирового уровня в синтезе биосовместимых покрытий. Методом микродугового оксидирования они формируют кальций-фосфатные и пьезоэлектрические покрытия на титановых скаффолдах, полученных методом лазерной 3D-печати, и проводят полную биологическую аттестацию материалов.
– Без их компетенций наши приборы остались бы просто красивыми физическими игрушками. Без наших методов их покрытия оставались бы эмпирически подобранными составами. Только вместе мы можем создать продукт, обладающий мировой новизной, – подчеркнул Константин Владимирович.
Проект рассчитан на три года. На первом этапе (2026 год) будут разработаны математические модели, методики измерений и программное обеспечение для цифрового зонда, а также получены первые лабораторные образцы покрытий. В 2027 году планируется создание макетного образца измерительной установки и проведение системных исследований распределения работы выхода электрона, а также запуск биологических тестов. Завершающий этап (2028 год) предполагает установление закономерностей между электрофизическими характеристиками и биологическими свойствами покрытий, а также испытания в лабораториях.
Результатами совместных исследований уже заинтересовались в Национальном медицинском исследовательском центре травматологии и ортопедии им. академика Г. А. Илизарова. Для научного коллектива это важный сигнал востребованности разработки.
– Наша роль в БНТУ – разработка методов и средств измерений, интерпретация электрофизических данных и объяснение того, как электрические свойства поверхности связаны с ее структурой и составом. А непосредственное внедрение в медицинскую практику, биологические испытания и работа с клиницистами – задача наших томских коллег, и они с ней блестяще справляются, – резюмировал заведующий лаборатории.
Победа в конкурсе «БРФФИ – РНФ – 2026» позволила нашим ученым перейти от пилотных экспериментов к системному планомерному исследованию. Финансирование даст возможность создать уникальную измерительную установку для картирования работы выхода электрона и электростатического потенциала – полноценный инструмент для решения конкретных задач современного биоматериаловедения.
Поздравляем представителей научно-исследовательской лаборатории полупроводниковой техники с победой в конкурсе и желаем дальнейших профессиональных достижений!
