Микродозаторные и микроманипуляторные системы биомедицинского назначения на основе мезопористого диоксида титана, модифицированного полиэлектролитными мембранами

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 19-79-10244

НазваниеМикродозаторные и микроманипуляторные системы биомедицинского назначения на основе мезопористого диоксида титана, модифицированного полиэлектролитными мембранами

Руководитель Уласевич Светлана Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Наноструктурирование, покрытие диоксида титана, имплантат, анодирование, сонохимическая обработка, гибридные материалы, полиэлектролитные мембраны

Код ГРНТИ31.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящие время в биомедицине особый интерес уделяется разработке «умных» покрытий, которые могли бы осуществлять отсроченную направленную доставку лекарственных веществ либо активных агентов, стимулирующих образование костной ткани. После операций по установке или замене имплантатов существует риск развития воспалительных инфекций, которые могут приводить к отторжению имплантата, развитию некроза и вызывать необходимость повторных операций. Наиболее перспективной областью разработки в этом направлении является создание биосовместимых покрытий, стимулирующих остеогенез. Потенциально перспективными можно считать покрытия на основе диоксидов титана, фосфатов кальция и других биосовместимых материалов. Однако на данном этапе развития этого направления внедрение этих покрытий, модифицированных лекарственными веществами, практически невозможно по причине отсутствия информации о точных механизмах их воздействия как на живые организмы, так и на клетки млекопитающих. Эффективность применения гибридных покрытий на основе мезопористого диоксида титана и полиэлектролитных мембран в медицинской практике практически не изучена, а имеющиеся в литературе результаты недостаточны для внедрения в практику, оптимальный состав наноструктур, удовлетворяющих всем требованиям эффективности и безопасности не подобран. В связи с этим целью данного проекта является разработка микродозаторных микроманипуляторных гибридных покрытий на основе диоксида титана и полиэлеткролитных мембран, а также установление механизмов направленного контролируемого высвобождения активных агентов под действием различных внешних факторов (электромагнитное излучение, температура, изменение рН и др.). Данный междисциплинарный проект по разработке гибридных микродозаторных микроманипуляторных систем на основе диоксида титана и полиэлектролитных слоев успешно объединит накопленный опыт в области химии и медицины. Проблему создания остеоиндуктивных функциональных покрытий на имплантатах трудно переоценить ввиду возникновения послеоперационных осложнений из-за плохой приживаемости имплантата, а также различных воспалительных реакций (постоперационный остеомиелит и др.). В связи с этим целью исследования является создание таких систем на основе диоксида титана и полиэлектролитных слоев, в которых нет выхода активного агента из подложки без облучения, и быстро выходит агент при облучении, что позволит в нужный момент времени инжектировать в клетки локально инкапсулированное вещество, которое может оказать влияние на пролиферацию и дифференциацию клеток. В проекте планируется исследование по двум направлениям: создание биосовместимого остеоиндуктивного покрытия на титановых имплантатах и создание гибридных микроманипуляторных систем, способных таргетно и пролонгированно высвобождать вещества с целью подавления воспалительных реакций, а также программирования клеток, воздействуя на их скорость роста, дифференциацию, пролиферацию и др. Химики будут заниматься разработкой и получением функциональных покрытий на титане, способных таргетно и пролонгировано доставлять лекарственные агенты, подавлять воспалительные реакции организма, а также стимулировать процессы остеогенеза. Медики будут исследовать биосовместимость разработанных систем, а также процессы образования костной ткани в области имплантата. На основе результатов предложенного проекта будут разработаны гибридные покрытия, способные программируемо высвобождать загруженные активные агенты и оказывать влияние на процессы остеоинтеграции, а также подавлять воспалительные системы в организме. Предварительные результаты исследований показали уникальную возможность управления клеточным ростом, клеточной морфологией и дифференциацией путем иммобилизации миобластов C2C12 и преостеобластов МС3Т3-Е1 на наноструктурированной поверхности диоксида титана. Установлено, что через 48 ч культивирования около 85% клеток C2C12 на поверхности, состоящей из диоксид титановых нанотрубок, клетки принимают вытянутую форму, в то время как на поверхности после сонохимической обработки 70% клеток принимают дентдритную форму с их преимущественной последовательной дифференциацией в миоциты и остеобласты соответственно (Ulasevich et al. "Ultrasonically produced porous sponge layer on titanium to guide cell behavior." Advanced Engineering Materials 18.4 (2016): 476-483, IF= 2.57). Кроме того, продемонстрирована перспектива использования покрытий наноструктурированного диоксида титана для создания гибридных систем, чувствительных к внешнему воздействию (Ulasevich et al. Angewandte Chemie International Edition (2016), IF= 11.7) с возможностью селективного изменения морфологии, что в свою очередь локально воздействует на клеточную среду остеобластов (Ulasevich et al. Macromolecular Bioscience (2016)), а также систем на основе диоксида титана и полиэлектролитов для фотокаталитического регулирования автокаталитических ферментативных реакций (Ulasevich et al. ChemCatChem (2018)). С учетом имеющегося научного задела у коллектива авторов в данной области и современного оснащения Химико-биологического кластера Университета ИТМО, в рамках которых планируется исследование, успешное выполнение проекта и всех заявленных индикаторов не вызывает сомнений. По результатам проекта, планируется опубликование не менее 10 статей в научных журналах из первого квартиля Q1 cо средним импакт-фактором не ниже 3,5.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Брежнева Н.Ю., Дежкунов Н.В., Уласевич С.А., Скорб Е.В. Characterization of transient cavitation activity during sonochemical modification of magnesium particles Ultrasonics Sonochemistry (год публикации - 2020)

2. Кувырков Е.Ю.,Брежнева Н.Ю.,Скорб Е.В., Уласевич С.А. The influence of the titania morphology and hydroxyapatite on the proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells RSC Advances (год публикации - 2020)

3. Уласевич С.А., Рыжков Н.В., Андреева Д.В., Озден Д., Пискин Е., Скорб Е.В. Light-to-heat photothermal dynamic properties of polypyrrole based coating for regenerative therapy and lab-on-a-chip applications Advanced Healthcare Materials (год публикации - 2020)

4. Брежнева Н., Дежкунов Н. В., Уласевич С. А., Скорб Е. В. Characterization of transient cavitation activity during sonochemical modification of magnesium particles Ultrasonics Sonochemistry, 70, 105315 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ultsonch.2020.105315

5. Уласевич C.A., Рыжков Н.В., Андреева Д.В., Озден Д. С., Пискин Э., Скорб Е.В. Light-to-Heat Photothermal Dynamic Properties of Polypyrrole-Based Coating for Regenerative Therapy and Lab-on-a-Chip Applications Advanced Materials and Interfaces, 7, 2000980 (год публикации - 2020)
10.1002/admi.202000980.

6. Кувырков E.Ю., Брежнева Н., Скорб Е. В., Уласевич С. А. The influence of the titania morphology and hydroxyapatite on the proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells RCS Advances, 11, 3843–3853 (год публикации - 2021)
10.1039/d0ra08271f

7. Эльтантави М.М., Белоконь М.А., Белогуб Е. В., Ледович О.И., Скорб Е. В., Уласевич С.А. Self-Assembled Liesegang Rings of Hydroxyapatite for Cell Culturing Advanced NanoBiomed Research (год публикации - 2021)
10.1002/anbr.202000048

8. Уласевич С. А., Гусинская Т. А., Семина А. Д., Герасимов А. А., Ковтунов Е. А., Яковченко Н. В., Орлова О. Ю., Скорб Е. В. Ultrasound-assisted fabrication of gluten-free dough for automation dumpling processing Ultrasonics Sonochemistry, 68, 105198 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ultsonch.2020.105198

9. Серых Т.А., Бадретдинова В.Т., Чернова А.П., Уласевич С.А. FUNDAMENTAL RESEARCH OF THE PROCESSES OF BONE TISSUE FORMATION IN THE PRESENCE OF OPTICALLY ACTIVE ORGANIC MOLECULES Химия и химическая технология в XXI веке, Томск : Изд-во ТПУ, Т. 2. С. 227-228. (год публикации - 2021)

10. Серых Т.А., Бадретдинова В.Т., Уласевич С.А. Fabrication of bactericidal 3D gradient materials based on hydroxyapatite Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - [2021, электронный ресурс]. - Режим доступа:https://kmu.itmo.ru/digests/article/6312 (год публикации - 2021)

11. Серых Т.А., Бадретдинова В.Т., Уласевич С.А. Formation of biomimetic calcium phosphates in the presence of optically active organic molecules Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - [2021, электронный ресурс]. - Режим доступа: https://kmu.itmo.ru/digests/article/6286 (год публикации - 2021)

12. Саббух М., Никитина А., Рогачева Е., Небалуева А., Шиловских В., Садовничий Р. В. , Королева А. В., Николаев К., Краева Л., Уласевич С. Скорб Е. Sonochemical fabrication of gradient brass materials with different biocidal properties Ultrasonics Sonochemistry (год публикации - 2022)

13. Саббух М., Никитина А., Рогачева Е., Краева Л., Уласевич С.А., Скорб Е.В., Носоновский М.В. Separation of motions and vibrational separation of fractions for biocide brass Ultrasonics Sonochemistry, Volume 80, P. 105817 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ultsonch.2021.105817

Публикации