Разработка и моделирование гибридных биодеградируемых скаффолдов с прогнозируемыми физико-химическими и иммуномодулирующими свойствами для тканеинженерных конструкций.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 16-13-10239

НазваниеРазработка и моделирование гибридных биодеградируемых скаффолдов с прогнозируемыми физико-химическими и иммуномодулирующими свойствами для тканеинженерных конструкций.

Руководитель Твердохлебов Сергей Иванович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова Биодеградируемые полимеры, скаффолды, биосовместимость, биозамещаемость, моделирование, тканеинженерные конструкции

Код ГРНТИ81.09.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание трехмерных гибридных биодеградируемых скаффолдов, наполненных лекарственными средствами, с модифицированной поверхностью с целью увеличения биосовместимости и биозамещаемости. Задача является актуальной для реконструктивной хирургии, так как создание подобных гибридных скаффолдов позволит получать тканеинженерные конструкции для замещения тканей и органов, альтернативные классическим материалам, используемым в трансплантологии. Научная новизна поставленной задачи заключается в использовании комбинированного подхода к созданию трехмерных гибридных биодеградируемых скаффолдов, включающего использование специальной технологии формирования скаффолда, наполненного лекарственными средствами, с последующим модифицированием его поверхности в плазме высокочастотного магнетронного разряда и с использованием химических методов. Такой подход позволит формовать скаффолды с широко регулируемыми физико-химическими свойствами, улучшая функции и архитектуру скаффолдов, позволяя применять их для различных стратегий регенеративной терапии и тканевой инженерии. Наполнение скаффолдов лекарственными средствами позволяет решить проблему адресной доставки биологически активных веществ и локально подавлять инфекцию без системного введения антибиотиков, а также стимулировать процессы заживления. Механизм высвобождения лекарственных средств из наполненных скаффолдов будет изучен с использованием удобного и полезного аналитического инструмента – математического моделирования. Существующие на сегодняшний день математические модели не учитывают физическую природу процесса высвобождения лекарства. Нами будет предложена эффективная и полноценная модель, которая позволит количественно прогнозировать влияние состава и параметров формирования скаффолдов на кинетику выхода лекарственных средств. Свойства поверхности скаффолда являются определяющими при его взаимодействии с клетками. Различные стратегии модифицирования поверхности полимерных биоразлагаемых материалов позволяют придать поверхности гидрофильность/гидрофобность, необходимую шероховатость, провести иммобилизацию желательных биомолекул на поверхности с целью активации специфического клеточного ответа. В наших работах было показано, что обработка поверхности биодеградируемых полимерных материалов в плазме аномально тлеющего разряда, возникающего при распылении твердотельной мишени, способствует образованию рельефной топологии поверхности на наноуровне, изменяет химический состав поверхности, увеличивая значение свободной энергии поверхности, что стимулирует процессы прикрепления и дифференцировки пула мезенхимальных стромальных стволовых клеток. Поэтому в проекте предложено проводить модифицирование поверхности скаффолдов в плазме высокочастотного магнетронного разряда. Также в проекте предлагается использовать простой и универсальный химический метод модифицирования поверхности, основанный на подходе «хороший/плохой» растворитель. Данный метод позволяет наносить широкий спектр биомолекул, не разрушая структуру материала, и является наиболее подходящим для создания гибридных биоразлагаемых скаффолдов. Будут проведены исследования биосовместимости матриксов и молекулярных механизмов, отвечающих за программирование реакций врожденного иммунитета. Таким образом, комплексный подход к созданию трехмерных скаффолдов сочетает преимущества физических и химических подходов к созданию новых синтетических биодеградируемых материалов. Применение математического моделирования в совокупности с биологическими методами исследований скаффолдов позволит прогнозировать их свойства и иммунный отклик. Разработанные гибридные биоразрагаемые скаффолды расширят область применения прогрессивных технологий в восстановительной и регенеративной медицине.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С.И. Горенинский, Н.Н. Богомолова, А.И. Мальчихина, А.С. Головкин, Е.Н. Больбасов, Т.В. Сафронова, В.И. Путляев, С.И. Твердохлебов Biological effect of surface modification of the fibrous poly(L-lactic acid) scaffolds by radio frequency magnetron sputtering of different calcium-phosphate targets BioNanoScience (год публикации - 2017)
10.1007/s12668-016-0383-x

2. Кудрявцева В., Станкевич К., Киблер Э., Головкин А., Мишанин А., Больбасов Е., Чойнзонов Е., Твердохлебов С. The deposition of thin titanium-nitrogen coatings on the surface of PCL-based scaffolds for vascular tissue engineering Applied Physics Letters, 112, 15, 153705 (год публикации - 2018)
10.1063/1.5017580

3. Больбасов Е.Н., Бузник В.М., Станкевич К.С., Горенинский С.И., Иванов Ю.Н., Кондрасенко А.А., Мацулев А.Н., Твердохлебов С.И. Сomposite Materials Obtained via Two-Nozzle Electrospinning from Polycarbonate and Vinylidene Fluoride/Tetrafluoroethylene Copolymer Inorganic Materials: Applied Research, 9, 2, 184–191 (год публикации - 2018)
10.1134/S2075113318020065

4. Ракина А.А., Спиридонова Т.И., Кудрявцева В.Л., Колесник И.М., Сазонов Р.В., Ремнев Г.Е., Твердохлебов С.И. Ibuprofen controlled release from E-beam treated polycaprolactone electrospun scaffolds Journal of Physics: Conference Series, 1115, 032051 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1115/3/032051

5. Больбасов Е., Горенинский С., Твердохлебов С., Мишанин А., Викнянщук А., Безуйденхаут Д., Головкин А. Comparative Study of the Physical, Topographical and Biological Properties of Electrospinning PCL, PLLA, their Blend and Copolymer Scaffolds IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 350, 012012 (год публикации - 2018)
10.1088/1757-899X/350/1/012012

6. Бадараев А.Д., Немойкина А.Л., Больбасов Е.Н., Твердохлебов С.И. PLLA scaffold modification using magnetron sputtering of the copper target to provide antibacterial properties Resource-Efficient Technologies, 3, 204-211 (год публикации - 2017)
10.1016/j.reffit.2017.05.004

7. Больбасов Е.Н., Бузник В.М., Станкевич К.С., Горенинский С.И., Иванов Ю.Н., Кондрасенко А.А., Грязнов В.И., Мацулев А.Н., Твердохлебов С.И. Композиционные материалы, сформированные методом двуканального электроформования из поликарбоната и сополимера винилиденфторида с тетрафторэтиленом Перспективные материалы, 10, 5-17 (год публикации - 2017)

8. Горенинский С.И., Станкевич К.С., Больбасов Е.Н., Даниленко Н.В., Филимонов В.Д., Твердохлебов С.И. Surface modification of PLLA electrospun nanofiber materials for biomedical applications BioNanoScience (год публикации - 2017)
10.1007/s12668-017-0422-2

9. Твердохлебов С.И., Больбасов Е.Н., Станкевич К.С., Филимонов В.Д., Аниссимов Ю. Разработка и моделирование гибридных биодеградируемых скаффолдов с прогнозируемыми физико-химическими свойствами для тканеинженерных конструкций Наукоемкие технологии в проектах РНФ. Сибирь, Томск, НТЛ, Томск, НТЛ, 2017, 530 стр. (год публикации - 2017)

10. Кудрявцева В.Л., Больбасов Е.Н., Пономарев Д.В., Ремнев Г.Е., Твердохлебов С.И. The influence of pulsed electron beam treatment on properties of PLLA nonwoven materials produced by solution blow spinning BioNanoScience (год публикации - 2017)
10.1007/s12668-017-0436-9

11. Афанасьев С.А., Муслимова Э.Ф., Нащекина Ю.А., Никонов П.О., Роговская Ю.В., Больбасов Е.Н., Твердохлебов С.И. Peculiarities of cell seeding on polylactic acid-based scaffolds fabricated using electrospinning and solution blow spinning technologies Сell Technologies in Biology and Medicine, 3, 281-284 (год публикации - 2017)
10.1007/s10517-017-3973-x

12. Больбасов Е.Н., Марьин П.В., Станкевич К.С., Козельская А.И., Шестериков Е.В., Ходыревская Ю.И., Насонова М.В., Шишкова Д.К., Кудрявцева Ю.А., Аниссимов Ю.Г., Твердохлебов С.И. Surface modification of electrospun poly-(l-lactic) acid scaffolds by reactive magnetron sputtering Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 162, 43-51 (год публикации - 2018)
10.1016/j.colsurfb.2017.11.028

13. Больбасов Е.Н., Попков А.В., Попков Д.А., Горбач Е.Н., Хлусов И.А., Головкин А.С., Синев А., Бузник В.М., Твердохлебов С.И., Аниссимов Ю.Г. Osteoinductive composite coatings for flexible intramedullary nails Materials Science and Engineering C, 75, 207-220 (год публикации - 2017)
10.1016/j.msec.2017.02.073

14. Ксения С. Станкевич, Надежда В. Даниленко, Руслан М. Гадиров, Семен И. Горенинский, Сергей И. Твердохлебов, Виктор Д. Филимонов A new approach for the immobilization of poly(acrylic) acid as a chemically reactive cross-linker on the surface of poly(lactic) acid-based biomaterials Materials Science and Engineering: C - Materials for Biological Applications (год публикации - 2016)
10.1016/j.msec.2016.10.078

15. Петлин Д.Г., Твердохлебов С.И., Аниссимов Ю.Г. Plasma treatment as an efficient tool for controlled drug release from polymeric materials: A review Journal of Controlled Release, 266, 57-74 (год публикации - 2017)
10.1016/j.jconrel.2017.09.023

16. Петлин Д.Г., Амарах А.А., Твердохлебов С.И., Аниссимов Ю.Г. A fiber distribution model for predicting drug release rates Journal of Controlled Release, 258, 218-225 (год публикации - 2017)
10.1016/j.jconrel.2017.05.021

17. Викнянщук А.Н., Мишанин А.И., Твердохлебов С.И., Головкин А.С. Подходы к тестированию биоматериалов с позиции современной парадигмы биосовместимости Трансляционная медицина, 4, 1, 29–40 (год публикации - 2017)

18. Горенинский С.И., Больбасов Е.Н., Сударев Е.А., Станкевич К.С., Аниссимов Ю.Г., Головкин А.С., Мишанин А.И., Викнянщук А.Н., Филимонов В.Д., Твердохлебов С.И. Fabrication and properties of L-arginine-doped PCL electrospun composite scaffolds Materials Letters, 214, 64-67 (год публикации - 2018)
10.1016/j.matlet.2017.11.115

19. Семен Горенинский, Ксения Станкевич, Евгений Больбасов, Надежда Даниленко, Виктор Филимонов, Сергей Твердохлебов Comparison of the influence of «solvent/non-solvent» treatment for the attachment of signal molecules on the structure of electrospun PCL and PLLA biodegradable scaffolds MATEC Web of Conferences, 79, 01025 (год публикации - 2016)
10.1051/matecconf/20167901025

20. Е.Н. Больбасов, К.С. Станкевич, Е.А. Сударев, В.М. Бузник, В.Л. Кудрявцева, Л.В. Антонова, В.Г. Матвеева, Ю.Г. Анисимов, С.И. Твердохлебов The investigation of the production method influence on the structure and properties of the ferroelectric nonwoven materials based on vinylidene fluoride - tetrafluoroethylene copolymer Materials Chemistry and Physics, 182, 338-346 (год публикации - 2016)
10.1016/j.matchemphys.2016.07.041

21. Кудрявцева В., Станкевич К., Гудима А., Киблер Э.,Жуков Ю., Больбасов Е., Малашычева А., Журавлев М., Рябов В., Лю Т.,Филимонов В., Ремнев Г., Клютер Х., Кжышковска Ю., Твердохлебов С. Atmospheric pressure plasma assisted immobilization of hyaluronic acid on tissue engineering PLA-based scaffolds and its effect on primary human macrophages Materials & Design, 127, 261-271 (год публикации - 2017)
10.1016/j.matdes.2017.04.079

Публикации