Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проект направлен на создание искусственного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена – СВМПЭ – с пористой или ячеистой 3D структурой в качестве клеточного матрикса – каркаса для выращивания культуры клеток. Все задачи, решение которых было запланировано в 2018 г., были выполнены в полном объеме в соответствии с Соглашением. План работ на 2018 г. включал в себя следующие пункты: 1. Получение массивных образцов СВМПЭ методом горячего прессования. Для варьирования начальной надмолекулярной структуры будут получены образцы, отличающиеся степенью ориентации макромолекул, количеством физических сшивок и топологических зацеплений, размером кристаллической фазы, а также соотношением количества кристаллической и аморфной фаз. 2. Обработка образцов СВМПЭ ксилолом для набухания с последующей экстракцией растворителя с помощью сверхкритического CO2. 3. Определение влияния температуры сверхкритической экстракции в интервале 40-80°С на свойства пористых образцов. Определение влияния растворителя набухания (ксилол, гексан, хлористый метилен) на свойства пористых материалов. 4. Проведение комплекса механических испытаний при сжатии и изгибе. 5. Получение композитов пористый СВМПЭ/стекловолокно. 6. Оптимизация экспериментальных протоколов для исследований пористого СВМПЭ на культуре нейробластомы человека, а также на первичной культуре нейронов гиппокампа. 7. Разработка методов визуализации клеточных культур в 3D матриксе. Научные результаты, полученные в 2018 г., включают в себя следующие пункты: 1. Методикой горячего прессования получены пористые и ориентированные образцы СВМПЭ, пригодные для работы с клеточной культурой. Разработаны методики получения образцов СВМПЭ, содержащих кварцевые волокна, и получения пористых образцов полимолочной кислоты. 2. Впервые в мире разработан метод получения аэрогелей на основе СВМПЭ путем сверхкритической экстракции растворителя из пор предварительно набухшего СВМПЭ с помощью сверхкритического СО2. Полученные аэрогели имели плотность 0,04-0,1 г/см3 и удельную площадь поверхности 15-77 м2/г в зависимости от количества растворителя, в котором набухал полимер. Полученные пористые полимер имели би- или тримодальную систему пор в зависимости от метода получения – нанометровые поры, поры 2-5 мкм и поры размером 50-100 мкм. Полимодальная пористость может быть полезна в ряде практических применений: а. термоизоляция; б. ультрафильтрация; в. для применения в качестве 3D-матрицы при получении клеточной культуры. 3. Впервые в мире показано, что пористые материалы на основе СВМПЭ могут быть использованы как 3D-матриксы для получения культуры клеток нейробластомы, причем время жизни клеточной культуры превышало 60 суток 4. Впервые в мире разработан протокол для культивации клеток нейробластомы на 3D–матриксе на основе СВМПЭ и показано, что этот матрикс может быть использован при длительной культивации клеток без потери их функциональных и морфологических признаков. 5. Впервые в мире получены первичные данные по культивированию клеток нейробластомы на образцах СВМПЭ, содержащих кварцевые волокна, при этом значительных отличий в морфологии клеток по сравнению с образцами, выращенными на СВМПЭ без кварцевых волокон, отмечено не было. 6. Впервые в мире разработаны методы визуализации клеточной культуры на 3D-матриксах основе СВМПЭ и СВМПЭ, содержащего кварцевые волокна, с помощью СЭМ и конфокальной микроскопии.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на создание искусственного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена – СВМПЭ – с пористой или ячеистой 3D структурой в качестве клеточного матрикса – каркаса для выращивания культуры клеток. Все задачи, решение которых было запланировано в 2019 г., были выполнены в полном объеме в соответствии с Соглашением. План работ на 2019 г. включал в себя следующие пункты: 1. Определение влияния растворителя и температуры набухания СВМПЭ на свойства получаемых пористых материалов. 2. Обработка ориентированных СВМПЭ лент растворителями, вызывающими набухание СВМПЭ. 3. Получение пористых (ячеистых) композитов на основе СВПМЭ с модификацией УНТ и электропроводящими углеродными аэрогелями. 4. Изучение текстурных и морфологических характеристик композитов по п. 3 методами низкотемпературной адсорбции азота, СЭМ, оптической микроскопии и методами оптической профилометрии. Оценка электропроводимости композитов. Изучение микромеханических характеристик пористых (ячеистых) композитов на основе СВПМЭ. 5. Культивирование клеток в матриксах из композитов СВМПЭ – кварцевое волокно и СВМПЭ – углеродный наноматериал. 6. Будет проведена оценка метаболической активности клеток. Генетическими методами будет проанализирован уровень экспрессии ключевых ферментов цикла Кребса (цитратсинтазы и изоцитратдегидрогеназы) и окислительного фосфорилирования (АТФсиназа), а также будут использованы биохимические методики по измерению уровня NAD+ и NADH и активности АМФ-активируемой протеинкиназы. 7. Измерение отростков нейрональных клеток как нейротрофический показатель жизнедеятельности нейронов. Научные результаты, полученные в 2019 г., включают в себя следующие пункты: 1. Впервые было определено влияние концентрации СВМПЭ и природы растворителя на морфологию, текстурные и механические свойства получаемых пористых материалов. Найдено, что удельная площадь поверхности получаемых аэрогелей на основе СВМПЭ может быть существенно повышена путем замены гексадекана на о-ксилол и достигать величины 104 м2/г, а плотность - 0.03 г/см3. 2. Впервые найдено, что сверхкритической обработкой набухшего СВМПЭ можно получать материал для культивирования клеток, содержащий полимодальную систему пор - крупные поры в десятки и сотни микрон, поры величиной в единицы микрон и мезопоры размером в десятки нанометров. Найдено, что в зависимости от режимов температурной обработки (99 - 103°C) мы можем создавать как небольшие по размерам ламеллярные кристаллы в виде рельефа на поверхности стенок макропор, так и формировать стенки макропор, полностью состоящие из крупных ламеллярных кристаллов. 3. Впервые исследованы механические характеристики образцов СВМПЭ с гибридной пористой структурой с использованием динамического механического анализатора (ДМА) в режиме динамического сжатия и показано, что интенсивность возрастания модуля накопления хорошо согласуется с увеличением степени кристалличности по ДСК для СВМПЭ с гибридной пористой структурой Демпфирующая способность образцов СВМПЭ (тангенс δ) также возрастает с ростом кристалличности. При температуре выше 70°C значение tan δ выше 0.3, что доказывает, что аэрогели на основе СВМПЭ обладают хорошей способностью к рассеиванию энергии. 4. Впервые определена теплопроводность аэрогелей на основе СВМПЭ и найдено, что они обладают аномально высокой теплопроводностью. Коэффициент температуропроводности лежит в диапазоне 6.5–3.3*10(-5) м2/с при температуре окружающей среды, а теплопроводность аэрогелей достигает 2.3 Вт/(м*К), что очень высоко, принимая во внимание их высокую пористость. Высокая теплопроводность аэрогелей на основе СВМПЭ может быть объяснена высокой кристалличностью (до 94%) и идеальной кристаллической структурой, вызванной медленным охлаждением разбавленных растворов СВМПЭ. 5. Получены ориентированные ленты на основе СВМПЭ со структурой Шиш-Кебаб (Shish Kebab), отличающейся уникальными геометрическими размерами. Увеличение температуры выдержки лент в ксилоле (от 100 до 105°C) способствует формированию более крупных ламелей, диаметром до нескольких мкм. Увеличение размеров ламелей приводит к увеличению незаполненного пространства между ламелями и, как следствие, к увеличению размеров пор и объемной пористости, что делает возможным создание пористых материалов в ориентированном СВМПЭ. 6. Получены пористые композиты на основе СВПМЭ, модифицированные МУНТ и сажей (до 10% вес). Однако перколяционный эффект на саже не наблюдается и пористые композиты не проводят электрический ток. Структура полученных образцов в целом совпадает с образцами, не содержащими углеродных добавок. 7. Впервые в мире проведены работы по культивированию клеток нейробластомы на различных модификациях основного матричного комплекса СВМПЭ. Было показано, что модификации основного СВМПЭ матрикса не приводят к значительным отличиям культивирования клеток нейробластомы на 3D-матриксах. Была проведена оценка степени депонирования клеток в матриксе, которая показала, что глубина проникновения культуры в матрикс достигает 400 мкм и, что основным ограничением метода является способ регистрации клеток внутри образца. Важно отметить, что степень депонирования клеток во всех исследованных видах СВМПЭ была предельно высокой, что свидетельствует об исключительных свойствах материала для биологических исследований. 8. Проведена трансплантация выращенных на СВМПЭ матриксе клеток нейробластомы аутбредным мышам линии CD-1. Проведённый через 2 недели после операции гистологический анализ тканей зафиксировал наличие клеток нейробластомы в области трансплантации. При этом не было зафиксировано отклонений в поведении животных, а также воспалительных реакций в области операции при вскрытии. 9. Проведена оценка экспрессии генов, связанных с метаболической активностью, которая не выявила отличий в уровнях экспрессии генов цитратсинтазы и изоцитратдегидрогеназы при различных способах культивирования клеток.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на создание искусственного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена – СВМПЭ – с пористой или ячеистой 3D структурой в качестве клеточного матрикса – каркаса для выращивания культуры клеток. Все задачи, решение которых было запланировано в 2020 г., были выполнены в полном объеме в соответствии с Соглашением. План работ на 2020 г. включал в себя следующие пункты: 1. Получение структур типа шиш-кебаб из ориентированных лент СВМПЭ различной степени вытяжки. Определение влияния растворителя на свойства полученных материалов. 2. Получение пористых материалов на основе СВМПЭ различной молекулярной массой. Определение морфологии, структуры и механических свойств полученных образцов. 3. Получение образцов пористых материалов СВМПЭ с повышенной гидрофильностью поверхности. Покрытие поверхности этих материалов биополимерами для повышения биосовместимости подложки и клеточных культур. 4. Изучение культивирования клеток нейробластомы в СВМПЭ-матриксах, покрытых различными биополимерами. 5. Поскольку наиболее результативными исследованиям были работы по трансплантации СВМПЭ, то в 2020 году планировалось детально изучить влияние материала на локальные воспаления внутри тканей при обработке СВМПЭ различными биополимерами – коллаген, желатин, а также проследить судьбу полимера на различных временных постоперационных интервалах. В ходе выполнения проекта в 2020 г. был получен ряд существенных результатов, позволивший предложить новые материалы на основе пористого СВМПЭ, проанализировать взаимосвязь молекулярная масса СВМПЭ - свойства пористых материалов, а также успешно имплантировать СВМПЭ матрикс, содержащий культуру клеток нейробластомы в мозг лабораторных мышей. Наиболее значимые результаты перечислены ниже. Получены структуры типа шиш-кебаб из ориентированных лент СВМПЭ различной молекулярной массы и степени вытяжки (), а именно 1*10(6), = 10; 5*10(6), = 8.1; = 48. Найдено, что бимодальное распределение молекулярной массы в СВМПЭ является определяющим фактором при формировании структуры шиш-кебаб. В процессе контролируемой выдержки ленты в растворителе при повышенной температуре в первую очередь происходит растворение макромолекул с более низкой молекулярной массой. При этом макромолекулы с высокой молекулярной массой сохраняют свою ориентацию и в процессе кристаллизации при охлаждении и в условиях сушки в сверхкритическом CO2 являются центрами кристаллизации для растворенных макромолекул с меньшей молекулярной массой. Таким образом, стержень структуры шиш-кебаб представляет собой закристаллизованную высокомолекулярную фракцию СВМПЭ. “Диски” в структуре шиш-кебаб формируются из растворенной более низкомолекулярной фракции СВМПЭ в процессе кристаллизации при остывании и в условиях сверхкритического CO2. Определено влияние растворителя на этот процесс и показано, что в о-ксилоле структура шиш-кебаб образуется во всех трех исходных лентах, а в гексадекане - только в СВМПЭ 1*10(6), = 10, который обладает бимодальным распределением молекулярной массы, что способствует более равномерному растворению полимера в растворителе. Проведено сравнение морфологии и механических свойств образцов пористых материалов на основе СВМПЭ различной молекулярной массы - 5*10(6) и 15*10(6). Показано, что в случае СВМПЭ 15*10(6) материал состоит из пористых частиц сферической формы, средний диаметр сферических частиц равен 30 мкм. Пористые сферические частицы состоят из тонких чешуек толщиной менее 100 нм, которые образованы ламеллярной кристаллической структурой полимера. Механизм формирования пористой структуры в аэрогелях СВМПЭ 15*10(6) аналогичен нашим результатам, полученным для СВМПЭ 5*10(6) в 2018 г, однако различие наблюдается в том, что, в аэрогелях СВМПЭ 5*10(6) в ксилоле не формируется структура, состоящая из сферических пористых частиц, что, несомненно, обусловлено высокой молекулярной массой СВМПЭ 15*10(6). Высказано предположение, что образование пористых сферических частиц может определяться плотностью переплетений (зацеплений) макромолекул между собой. Чем выше плотность зацеплений макромолекул между собой, тем сложнее растворить полимер, и, соответственно, полимер в большей степени сохраняет морфологию исходного сферического реакторного порошка. С ростом молекулярной массы наблюдается увеличение плотности зацеплений макромолекул между собой и, как следствие, образуются пористые сферические частицы. Были исследованы механические характеристики аэрогеля СВМПЭ 15*10(6) (тангенс δ) с использованием динамического механического анализатора (ДМА) в режиме динамического сжатия. Тангенс δ является характеристикой, показывающей способность материала поглощать энергию. Считается, что материалы, обладающие тангенсом δ более 0.3, относятся к материалам с высокими демпфирующими свойствами. Аэрогель при частоте до 0.32 Гц демонстрирует высокую демпфирующую способность (тангенс δ равен 0.3-0.4). С ростом увеличения частоты приложения нагрузки тангенс δ снижается до 0.1. С ростом температуры испытаний до 80 С тангенс δ возрастает с 0.15 до 0.5. Основной целью данного проекта являлась разработка материалов, пригодных для выращивания клеточных структур. По этой причине было проведено повышение гидрофильности поверхности СВМПЭ для лучшей адгезии культуры клеток путем обработки пористых образцов СВМПЭ растворами различных биополимеров: желатин, поли-L-лизин, бычий сывороточный альбумин, хитозан. Проведена оценка влияния различных биополимеров в СВМПЭ, которая показала, что обработка хитозаном и бычьим сывороточным альбумином способствует росту клеток нейробластомы в образцах. Микроскопическими и биохимическими методами охарактеризована культивация клеток нейробластомы и первичной гиппокампальной культуры на СВМПЭ в сравнении с традиционным двухмерным форматом (на стёклах/плашках), которая показала, что СВМПЭ может быть использован в качестве материала для моделирования и культивации клеток в условиях, приближенных к физиологическим. Проведена имплантация СВМПЭ с культурой клеток нейробластомы в головной мозг животных, показывающая перспективность использованиям материала в качестве клеточного носителя. Восстановительный период у животных проходил без видимых осложнений. Как показали исследования, имплантация не повлияла на развитие каких-либо значимых воспалительных процессов у животных. Также, при микроскопическом исследовании препаратов, окрашенных антителами против GFAP, было показано, что имплантация макроскопической пластины СВМПЭ не вызвала массивного воспаления в головном мозге. С уверенностью можно сделать вывод, что подобные операции могут быть выполнены и на других органах.