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 18-79-00269
НазваниеНанобиоархитектоника: направленный дизайн гибридных материалов
РуководительКривошапкина Елена Федоровна, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 словаНаночастицы; гибридные материалы; органо-неорганические композиты; склеропротеины; нанобиоархитектоника; функциональные материалы; тканевая инженерия
Код ГРНТИ31.15.37
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка новых материалов, обладающих уникальными свойствами, является приоритетным направлением научно-технологического развития. Выявление закономерностей и изучение механизмов формирования биоматериалов живыми объектами помогает исследователям понять процессы, заложенные природой, особенности которых могут быть перенесены на полностью синтетические объекты. В результате открываются возможности управления строением и свойствами объектов нано- и микромира. Уникальность природных волокон и тканей, созданных эволюцией за миллионы лет, во многом определяется их организацией на молекулярном уровне. В отличие от синтетических полимеров, протеиновые молекулы обладают развитой вторичной и третичной структурой, определяющей их организацию на более высоком уровне и приводящей к выдающимся физико-химическим характеристикам. С развитием нанотехнологий появилась возможность получать качественно новые гибридные материалы с расширенным спектром функциональных свойств, благодаря образованию комплексов между наночастицами и склеропротеинами, приводящими к формированию надмолекулярных структур.
В данном проекте будут исследованы механизмы образования надмолекулярных структур между склеропротеинами и неорганическими наночастицами, что приведет к возможности получения на их основе функциональных органо-неорганических нанокомпозитов. Это подразумевает применение комплексного подхода со следующими направлениями развития: создание отсутствующего на данный момент прочного теоретического фундамента, описывающего особенности взаимодействия субъединиц биополимеров с отдельными наночастицами и варианты их координирования, происходящие конформационные перестройки; разработку методик синтеза биосовместимых неорганических наночастиц, пригодных для взаимодействия с молекулами биологического происхождения и получение на их основе органо-неорганических материалов. Такой системный подход, рассматривающий особенности комплексообразования и предсказывающий будущие свойства композитных материалов, определяет научную новизну проекта.
В качестве основных результатов планируется создание модели взаимодействия неорганических наночастиц с полимерными биомолекулами с последующей ее апробацией. Полученные модели будут использованы при создании биокомпозитных материалов на основе склеропротеинов шелка пауков и наночастиц оксидов титана, железа, а также наночастиц золота и серебра для нужд биомедицины, трансплантологии, оптики, электротехники. Полученные системы будут подвергнуты тщательному физико-химическому, механическому, биологическому анализу, позволяющему сделать выводы о взаимосвязи структуры биокомпозитов и их свойств. Запланировано проведение тестов на цитотоксичность, антимикробное и ранозаживляющее действие полученных материалов. По итогам реализации проекта будет разработан системный подход к созданию органо-неорганических биокомпозитов на основе структурных протеинов паутины с контролируемой нанобиоархитектоникой. Это позволит опубликовать не менее 4 статей в высокорейтинговых журналах мирового уровня (расшифровка: 1-2 статьи уровня Chemical Communications, Nanoscale, Biomaterials (impact factor 5-7); 3-2 статьи уровня J Mater Chem B, RSC Advances, Journal Sol-Gel Science and Technology (impact factor 2-4).
Ожидаемые результаты
В проекте будет осуществлен направленный синтез органо-неорганических надмолекулярных структур на основе склеропротеинов и наночастиц, обладающих заданной наноархитектоникой и вытекающими из нее улучшенными или новыми функциональными характеристиками. Проект интересен как с фундаментальной точки зрения, так и с прикладной стороны – создание функциональных наноматериалов для оптики, биоинженерии, регенеративной медицины. В ходе реализации проекта планируется разработка модели комплексообразования отдельных наночастиц с молекулами фибриллярных белков, описывающая взаимодействие на уровне от отдельных функциональных групп до влияния на пространственную организацию композитных молекулярных ансамблей. Решение данной фундаментальной задачи позволит регулировать процессы самоорганизации органо-неорганических композитов и получать волокна и ткани с улучшенными или абсолютно новыми функциональными свойствами. Использование в работе различных нанообъектов (наночастицы оксидов титана, железа, и металлические наночастицы серебра и золота) позволит варьировать оптические, магнитные, механические и электропроводные свойства нанокомпозитов. При проведении работ упор будет сделан на создание материалов с антимикробным и ранозаживляющим действием, создание биосовместимых тканей для нужд регенеративной медицины. Применение современных методов инжиниринга композитных материалов позволит осуществить процесс нано- и микрофабрикации волокон, пленок и тканей, превосходящих по своим свойствам природные аналоги. На протяжении реализации проекта планируется опубликовать не менее 4 статей в высокорейтинговых журналах мирового уровня (расшифровка: 1-2 статьи уровня Chemical Communications, Nanoscale, Biomaterials (impact factor 5-7); 3-2 статьи уровня J Mater Chem B, RSC Advances, Journal Sol-Gel Science and Technology (impact factor 2-4).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Шелк является ярким примером природных биополимеров, которым уделяется значительное внимание из-за их структурной сложности и широкого разнообразия свойств. В природе эти органические композиты производятся несколькими видами животных, среди которых наиболее изученными являются шелкопряды и пауки. Паутина обладает уникальными свойствами, среди которых ключевыми является высокая прочность на разрыв в сочетании с эластичностью. Паутина превосходит большинство натуральных или синтетических волокон благодаря таким параметрам, как сравнительно малый диаметр волокна, естественные условия самосборки волокна и уникальный молекулярный состав. В соответствии с морфологией волокна иерархическая структура природных полимеров состоит из α-спиралей, чередующихся с «твердыми» β-кристаллическими структурами, что в разы увеличивает прочность структуры. Многочисленные аморфные молекулярные структуры соединяют β-листы и обеспечивают эластичность шелковых волокон. Помимо механических свойств стоит упомянуть биологический потенциал шелка паука. Биосовместимость и биоразлагаемость делают натуральный шелк паука подходящим объектом для биомедицинской промышленности. Нанофибриллы представляют собой компактные и стабильные структуры, прочность и эластичность обеспечивают основу для применений в тканевой инженерии и производстве имплантатов.
В работе были исследованы физико-химические свойства природной паутины, а также изучено волокно паутины на микроуровне с применением методов атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, ИК спектроскопии. Были получены и охарактеризованы биокомпозиты на основе природной паутины и неорганических наночастиц оксида титана, магнетита, оксида циркония и оксида гафния (допированных парой ионов Er3+/Yb3+), золота и серебра. Наночастицы были получены с применением подходов золь-гель технологии. Апконверсионные наночастицы оксидов гафния и циркония были получены методом контролируемого гидролиза металлорганических прекурсоров с добавлением редкоземельных элементов и дальнейшим прокаливанием. Модификация паутинного волокна осуществлялась методом пропитки волокон в растворах наночастиц. Продемонстрирована возможность расширения оптических, магнитных, антибактериальных свойств наночастиц до макромасштабных компонентов в составе композитов. Была показана биологическая совместимость полученных композитов с наночастицами золота, оксидов гафния/циркония и природного шелка. Выявлены композиты для применения в качестве материалов, обладающих антибактериальной активностью. Разработанный биокомпозит с апконверсионными наночастицами способен давать детектируемый оптический отклик при возбуждении в ближнем инфракрасном диапазоне. Эта разработка может стать путем к современным биомедицинским технологиям. Такие гибридные материалы на основе шелка паука и неорганических наночастиц могут иметь потенциальные возможности биологического применения в областях биосенсорики и биовизуализации вследствие их низкой фононной энергии, высокой светоотдачи, высокого коэффициента пропускания света и стабильных химико-физических свойств. Это приведет к диагностике биоматериалов неинвазивно и в режиме реального времени. Кроме того, предлагаемая стратегия модификации материала открывает возможности для более рациональных типовых инновационных конструкций биоматериалов и их применения в областях энергетики, медицины, нанобиомедицинских технологий и многих других.
Публикации
1. Киселева А.П., Киселев Г.О., Кесслер В., Сейсенбаева Г., Гец Д.С., Румянцева В.И., Лялина Т.А., Фахардо А.Ф., Кривошапкин П.В., Кривошапкина Е.Ф. Optically active hybrid materials based on natural spider silk ACS Applied Materials & Interfaces, - (год публикации - 2019)
2. Кривошапкина Е.Ф. Nanobioarchitectonics: directed design of hybrid materials Book of abstracts "Medical Imaging Alliance: Siberia and UK", Book of abstracts "Medical Imaging Alliance: Siberia and UK", Novosibirsk, 2018, p. 18-19 (год публикации - 2018)
3. Парамонова А.П., Киселев Г.О., Кривошапкина Е.Ф., Кривошапкин П.В. Получение гибридных оптически активных материалов на основе склеропротеинов и наночастиц Сборник тезисов XVII Всероссийской молодежной научной конференции с элементами научной школы – «ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ: СИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ». СПб.: «ЛЕМА», 2018. - 244 с., с. 192-193. (год публикации - 2018)
4. Парамонова А.П., Кривошапкина Е.Ф. Optically active inorganic nanoparticles for design of hybrid materials International Student Conference “Science and Progress-2018” — SPb.: SOLO, 2018 – 376 pp., International Student Conference “Science and Progress-2018” — SPb.: SOLO, 2018 – p. 82. (год публикации - 2018)
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Шелк является ярким примером природных биополимеров, которым уделяется значительное внимание в связи со сложным иерархическим строением, структурой и комбинацией уникальных свойств. В природе эти органические композиционные материалы производятся несколькими типами насекомых, среди которых наиболее изученными являются тутовые шелкопряды и пауки. Хотя шелкопряды более одомашнены и их шелк используется промышленностью на протяжении тысячелетий для производства текстиля, паучий шелк является не менее важным и интересным материалом для исследования. Данный проект сосредоточен на исследованиях и разработках материалов на основе натурального шелка паука, что отличает его от ряда работ, связанных с волокнами тутовых шелкопрядов. Натуральные шелковые волокна паука одновременно являются прочными и эластичными при относительно невысоких значениях диаметра волокон, обладают биосовместимостью. Комбинация уникальных свойств делает шелк паука чрезвычайно привлекательным волокном для применений в медицине, обороне, текстиле. Формирование этих высокоорганизованных, иерархически упорядоченных композитов осуществляется в железах паука, где специфические клетки вырабатывают жидкие протеины. Этот процесс демонстрирует формирование иерархически организованных, реагирующих на внешние воздействия материалов на основе органических структур. Паучий шелк превосходит большинство натуральных или синтетических волокон благодаря нескольким параметрам, таким как диаметр волокна, условия самосборки волокна и уникальный молекулярный состав. Биосовместимость и биоразлагаемость делают натуральный шелк паука подходящим кандидатом для биомедицинских применений. Нанофибриллы являются компактными и стабильными структурами, которые могут проникать через небольшие капилляры, через физиологические барьеры живых организмов, представляя собой перспективный материал для доставки лекарств, а в сочетании с прочностными характеристиками для применения в тканевой инженерии и производстве имплантатов. Выявление особенностей и природы молекулярных компонентов, встроенных в волокна шелка паука, остаются важными аспектами исследований этих природных волокон.
Разработаны методы получения стабильных суспензий и пленок на основе натурального шелка паука. Полученные системы были изучены методом динамического рассеяния света, сканирующей электронной микроскопией, ИК спектроскопией, проведен рентгенофазовый анализ. Изучены механические свойства пленок в зависимости от растворяющего агента. Таким образом, варьирование природы растворителя позволяет влиять на структуру и состав пленок и покрытий на основе паутины, что в свою очередь позволяет контролировать механические свойства материалов.
Показана возможность использования пленок на основе шелка паука в качестве матрицы для получения материалов, реагирующих на внешнее воздействие, в частности, на изменение влажности. Так как данные системы являются биосовместимыми, они перспективны, в том числе, для медицинских приложений.
Разработана методика для получения равномерного покрытия для улучшения коррозионной стойкости магниевых сплавов путем сонохимической обработки в растворе шелка с последующим послойным нанесением раствора шелка на поверхность магния. Синергия двух видов защиты имплантата (ультразвуковая обработка с образованием пористого оксидного слоя на поверхности металла и послойное насаждение пленки из природной паутины) обеспечила увеличенный антикоррозионный показатель магниевого сплава: коррозионная стойкость исследуемого магниевого имплантата возросла в 50 раз по сравнению с контрольными необработанными образцами.
Разработаны методы получения магнитных волокон паутины, перспективных для применения в качестве систем адресной доставки лекарств в процессах ранозаживления. Разработаны гибридные материалы на основе натурального шелка паука, обладающих антибактериальным эффектом.
Таким образом, предложенная стратегия модификации шелковых материалов открывает возможности для инновационного рационального дизайна биоматериалов в более общем виде и их применения в областях медицины, оптики, сенсорики и многих других. Данный подход предлагает довольно уникальную комбинацию разработки прикладного материала с высоким потенциалом применений для разработки технологий жизнедеятельности, что может вызвать значительный интерес более широкого круга исследователей, использующих биоматериалы в таких областях, как доставка лекарств, неинвазивная детекция в режиме реального времени, регенерация тканей, сенсорика, антибактериальные системы.
За время выполнения проекта, участники коллектива приняли участие в российских и международных конференциях, подготовили к публикации статьи из баз данных Scopus и WoS, ниже приведены информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту
http://www.sobaka.ru/city/science/98043
https://scientificrussia.ru/articles/uchenye-universiteta-itmo-i-ih-kollegi-iz-shvetsii-razrabotali-novye-biokompozity-na-osnove-pautiny
http://www.rscf.ru/ru/node/ne-prosto-pautina?sphrase_id=33279
http://www.rscf.ru/ru/node/biokompozity-na-osnove-pautiny-perspektivnye-dlya-bio?sphrase_id=33279
https://www.facebook.com/entomon.ru/posts/2226220770834177?_rdc=2&_rdr
https://news.itmo.ru/ru/science/life_science/news/8738/null/
https://mbradio.ru/publication/3459/
Публикации
1. Баланов В.А., Киселева А.П., Кривошапкина Е.Ф., Каштанов Е.А., Гимаев Р.Р., Зверев В.И., Кривошапкин П.В. Synthesis of (Mn(1−x)Znx)Fe2O4 nanoparticles for magnetocaloric applications Journal of Sol-Gel Science and Technology, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s10971-020-05237-8
2. Уласевич С.А., Ненашкина А.В., Рыжков Н.В., Киселев Г.О., Николаева В.О., Киселева А.П., Мосина К.С., Скорб Е.В, Кривошапкина Е.Ф. Natural Silk Film for Magnesium Protection: Hydrophobic/Hydrophilic Interaction and Self‐Healing Effect Macromolecular Materials and Engineering, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/mame.201900412
3. Киселева А.П., Кривошапкин П.В., Кривошапкина Е.Ф. Recent Advances in Development of Functional Spider Silk-Based Hybrid Materials Frontiers in chemistry, - (год публикации - 2020)
4. Киселева А., Киселев Г., Кесслер В., Сейсенбаева Г., Гец Д., Кривошапкин П.В., Кривошапкина Е.Ф. Upconversion natural spider silk-based hybrids XX International Sol-Gel conference, - (год публикации - 2019)
5. Киселева А.П., Киселев Г.О., Николаева В.О., Сейсенбаева Г., Кесслер В.Г., Кривошапкин П.В., Кривошапкина Е.Ф. Паутина - натуральный нанокомпозитный материал для биоприменений VII Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «ЧЕЛОВЕК И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА», - (год публикации - 2019)
6. Кривошапкина Е.Ф., Киселева А.П., Николаева В.О. Hybrid materials based on scleroproteins and nanoparticles 4th International Conference on Green Composite Materials, July, 2019, CULS Prague, Czech, - (год публикации - 2019)
7. Николаева В.О., Кривошапкин П.В., Кривошапкина Е.Ф. Spider web as a natural nanocomposite material for eco-friendly applications III International School- Conference «Applied Nanotechnology and Nanotoxicology (ANT-2019)», - (год публикации - 2019)
8. Николаева В.О., Кривошапкин П.В., Кривошапкина Е.Ф. Spider web as a natural nanocomposite material XX International Sol-Gel conference, - (год публикации - 2019)
9. Парамонова А.П., Николаева В.О., Кривошапкина Е.Ф. Nanobioarchitectonics: Directed Design of Hybrid Materials III International School- Conference «Applied Nanotechnology and Nanotoxicology (ANT-2019)», - (год публикации - 2019)
10. - Не просто паутина Мегабайт, Статья в новостном источнике Университета ИТМО от 03 ДЕКАБРЯ 2019 (год публикации - )
11. - Ученые из России и Швеции разработали новые биокомпозиты на основе паутины, перспективные для биомедицины ITMO.NEWS, Публикация официальной пресс-службы Университета ИТМО от 23 августа 2019 (год публикации - )
12. - Ученые Университета ИТМО в сотрудничестве с коллегами из SLU University (Уппсала, Швеция) разработали биокомпозиты на основе протеинов природной паутины и оптически активных наночастиц Официальная публичная страница биотехнологической компании Энтомон (в сети Facebook), Публикация от 6 сентября 2019 года в сети Facebook (год публикации - )
13. - Ученые из России и Швеции разработали новые биокомпозиты на основе паутины, перспективные для биомедицины Новости российского научного фонда, Материалы новостного портала российского научного фонда от 23 августа 2019 (год публикации - )
14. - Не просто паутина Новости российского научного фонда, Материалы новостного портала российского научного фонда от 04 декабря 2019 (год публикации - )
15. - Ученые Университета ИТМО и их коллеги из Швеции разработали новые биокомпозиты на основе паутины Электронное периодическое издание «Научная Россия», МАТЕРИАЛЫ ПОРТАЛА «НАУЧНАЯ РОССИЯ» от 05 сентября 2019 года (год публикации - )
16. - 20 главных изобретений ИТМО: от нового языка программирования до наномашин против рака Новостной портал-журнал «СПб.Собака.ru», Новостной рейтинг от 15 октября 2019 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Разработанная стратегия модификации шелковых материалов открывает возможности для инновационного рационального дизайна биоматериалов в более общем виде и их применения в областях медицины, оптики, нанобиомедицинских технологий и многих других. Данный подход предлагает довольно уникальную комбинацию разработки прикладного материала с высоким потенциалом применений для разработки технологий жизнедеятельности, что может вызвать значительный интерес более широкого круга исследователей, использующих биоматериалы в таких областях, как доставка лекарств, неинвазивная детекция в режиме реального времени, регенерация тканей, сенсорика, антибактериальные системы. Помимо биомедицинских применений, синтезированные материалы могут найти подходящее применение либо в области экологического приборостроения (при производстве оптических покрытий и проводов с повышением частоты), либо в качестве ткани с высокой прочностью и оптическими характеристиками. Кроме того, на основе гибридного материала могут быть изготовлены гибкие подложки для биоэлектроники. Предлагаемая стратегия модификации материала открывает возможности для более рациональных инновационных разработок биоматериалов и их применения в областях энергетики, медицины, биотехнологии.