Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В первый год работы разработан метод сонохимического структурирования поверхности титана и магния, а также сплавов на их основе в щелочных растворах, приводящий к формированию мезопористых губчатых диоксид-титановых покрытий (ТMS), с толщиной слоя до 1,0 мкм. Полученные покрытия являются супергидрофильными (контактный угол смачивания около 2° и варьируется в зависимости от параметров ультразвуковой обработки). Разработан метод анодного окисления титана в неводных электролитах, который позволяет сформировать высокоупорядоченные вертикально расположенные диоксид-титановые нанотрубки (ТNТ) c диаметром, варьируемым в зависимости от состава электролита и условий анодирования от 15±5 нм до 120±10 нм. Разработан метод химического осаждения гидроксиапатита из растворов, содержащих прекурсоры фосфат-анионов и катионы кальция, что позволяет заполнить поры диоксид-титановых нанотрубок частицами с размерами, не превышающими диаметр нанотрубок. Изучено влияние морфологии диоксида титана и гидроксиапатита на пролиферацию и остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток человека, культивируемых в течение 5 дней на подложках вертикально упорядоченных нанотрубок без модификации (ТNT) и модифицированных гидроксиапатитом (TNT-HA), мезопористого диоксида титана (TMS) и мезопористого диоксида титана, модифицированного гидроксиапатитом (TMS-HA). Установлено, что более высокая пролиферация клеток hMSCs наблюдалась на высокоупорядоченных TNT и TNT-HA по сравнению с контролем. Через 14 дней дифференцировка hMSCs в остеогенное направление, сопровождаемая одинаково повышенной генетической экспрессией остеокальцина и щелочной фосфатазы, была вызвана неупорядоченными TMS и TMS-HA без остеогенных индукторов. Однако высокоупорядоченный TNT-HA и неупорядоченный TMS-HA могут служить источником ионов кальция и фосфата для облегчения наращивания костной ткани in vivo. Разнообразный отклик клеток hMSCs на упорядоченную и неупорядоченную пористую морфологию поверхности может быть обусловлен различным числом фокусных адгезионных контактов, формируемых между клеткой и поверхностью диоксид титановой матрицы. Изучено влияние кавитационной активности пузырьков при ультразвуковой обработке суспензий магния. При изучении изменения переходной кавитации при модификации материала, выявлено, что интенсивность кавитации может влиять на свойства формируемого материала (морфология поверхности, фазовый состав), в то время как продукты сонохимической обработки магния (выделяющийся газообразный водород) может влиять на развитие кавитационных пузырьков. Установлено, что весь режим кавитации магния можно разделить на следующие стадии изменения кавитационной активности: 1) изначально зона кавитации была перенасыщена газовыми пузырьками с размерами, значительно превышающими резонансные при частоте, и высокие объемные концентрации таких больших пузырьков представляет трудности для кавитации образование пузырьков. В момент включения ультразвука дегазация жидкости привела к удаление таких пузырьков и облегчение процесса образования реальных кавитирующих пузырьков. Этап снижения кавитационной активности может быть связан с ускорением производства водорода и созданием условия для активных взаимодействий пузырь-пузырь, несферический коллапс пузырька. Стадия достижения значениями кавитации плато может быть связана со стабилизацией процессов образования / разрушения пузырьков. Помимо фундаментального понимания кавитационных процессов, эта работа ставит вопрос об образовании пузырьков реактивного газа для запуска новых наноструктурированных функциональных материалов. Изучены фотохимические свойства полученных покрытий диоксида титана при различном электромагнитном облучении. Определена степень их чувствительности к электромагнитному воздействию. Выявлено, что высокоупорядоченные нанотрубки являются более фотоактивными по сравнению с мезопористым диоксидом титана. Посчитана ширина запрещенной зоны прогретых / непрогретых TMS и TNT покрытий для непрямых переходов составляет 3,16 эВ / 3,32 эВ и 3,01 эВ / 3,10 эВ соответственно. Изучены особенности высвобождения антибиотиков из матрицы диоксида титана с высокоупорядоченной структурой и неупорядоченной структурой. Установлено, что губчатая поверхность диоксида титана способствует более медленному высвобождению агентов, что связано с наличием пор различного диаметра, которые удерживают и высвобождают антибиотики постепенно. Разработана и получена гибридная система TMS / (PPy-PSS) на основе мезопористого диоксида титана и полиэлектролитных слоев полипиррола и полистиролсульфоната. Полученная система оказалась эффективной для медленного направленного высвобождения костного морфогенного белка ВМР-2. Покрытия TMS / (PPy-PSS) продемонстрировали способность к замедленному высвобождению BMP-2. Клетки, культивируемые на образцах с элюированием BMP-2, продемонстрировали более высокую скорость пролиферации, соответствующую скорости высвобождения BMP-2. Светотепловые динамические свойства PPy были продемонстрированы на примере локального высвобождения BMP-2 из мезопористого слоя TMS. Покрытие PPy-PSS на TMS продемонстрировало свою эффективность для контроля роста клеток преостеобластов. Эта гибридная система TMS / (PPy-PSS) может быть использована в биомедицинской области, и он может быть перспективным для лабораторных исследований, фундаментальных исследований эффектов поверхностной инкапсуляции для управления миграцией клеток.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Разработана методика для формирования стабильных однородных полиэлектролитных покрытий с хорошей адгезией на поверхности диоксида титана. Подобраны сочетания полиэлектролитов для создания покрытий, способных изменять свои физико-химические свойства под действием рН, электромагнитного излучения. Разработаны системы на основе диоксида титана и полиэлектролитных слоев для локальной доставки активных агентов (антибиотиков, биологически активных веществ, факторов роста). Изучена чувствительность полиэлектролитных слоев к изменению величины рН в зависимости от природы полиэлектролитов и числа нанесенных слоев. С учетом дзета-потенциалов коллоидов диоксид-титановых частиц, модифицированных полиэлектролитными слоями, найдены оптимальные сочетания полиэлектролитов для осаждения их на поверхности титана и разработки системы, способной активироваться ИК-излучением. Получена система на основе диоксида титана, модифицированного слоями полипиррола и полистиролсульфоната, способная активироваться ИК-излучением с длиной волны 980 нм. Установлено, что динамическое поведение полиэлектролитных слоев в ответ на ИК-излучение может регулировать высвобождение загруженного в поры диоксида титана морфогенетического белка BMP-2. Установлено, что пористая структура матрицы диоксида титана способна не только адсорбировать BMP-2, но и обеспечить удовлетворительную морфологию для миграции и пролиферации клеток. Полученные покрытия обладают улучшенной остеоинтеграцией имплантированного титанового устройства. Исследована возможность локальной доставки вещества. Показана возможность локального высвобождения ВМР-2 и локальной стимуляции клеточного роста. (Полученные материалы опубликованы с журнале с квартилем Q1 (Ulasevich, S., Ryzhkov, N. V., Andreeva, D. V., Özden, D. S., Piskin, E., & Skorb, E. V. (2020). Light‐to‐Heat Photothermal Dynamic Properties of Polypyrrole‐Based Coating for Regenerative Therapy and Lab‐on‐a‐Chip Applications. Advanced Materials Interfaces, 7(21), 2000980.) https://www.rscf.ru/news/presidential-program/novoe-pokrytie-dlya-lokalnoy-dostavki-lekarstv/) Разработаны методы сонохимической модификации поверхности металлов и создания материалов с градиентным распределением физико-химических свойств. Изучены особенности ультразвуковой обработки магния и сплавов на его основе с целью снижения скорости коррозии полученных материалов. При изучении изменение переходной кавитации при модификации магния, было исследовано, как интенсивность кавитации влияет на свойства модифицированных частиц магния (морфология поверхности, фазовый состав) и продукты сонохимической обработки магния (особенно выделяемого газообразного водорода), а также может влиять на развитие кавитационных пузырей. Статья опубликована в журнале с квартилем Q1 (Brezhneva, N., Dezhkunov, N. V., Ulasevich, S. A., & Skorb, E. V. (2021). Characterization of transient cavitation activity during sonochemical modification of magnesium particles. Ultrasonics Sonochemistry, 70, 105315.) Изучено влияние воздействия ультразвука на полимерные материалы и органические природные молекулы на белковые структуры, полимерные цепи углеводородов и гликопротеинов. Установлено, что ультразвуковая обработка способствует изменению физико-химических свойств материалов, а также способствует ускоренному протеканию ферментативных реакций. Найденные эффекты нашли применение в пищевой промышленности, в частности, для усовершенствования реологических характеристик безглютенового теста для его машинной лепки. Статья опубликована в журнале с квартилем Q1 (Ulasevich, S. A., Gusinskaia, T. A., Semina, A. D., Gerasimov, A. A., Kovtunov, E. A., Iakovchenko, N. V., ... & Skorb, E. V. (2020). Ultrasound-assisted fabrication of gluten-free dough for automatic producing dumplings. Ultrasonics Sonochemistry, 68, 105198.) Разработаны способы получения материалов с градиентом физико-химических свойств и изучена из биоцидная активность по отношению к грамположительным и грамотрицательным бактериям. Установлено, что ультразвуковая обработка позволяет получить материал, в котором биоцидная активность может значительно варьироваться и позволяет получить образец, в котором одна часть чувствительна только по отношению к грамположительным штаммам, а вторая по относительно грамположительных и грамотрицательных штаммов одновременно. Кроме того, было показано, что ультразвуковая обработка позволяет улучшить получить наночастицы металлов, чувствительные к резистентным штаммам. (https://news.itmo.ru/ru/news/9582/). Исследованы особенности формирования фосфатов кальция в условиях ограниченной диффузии в органическом матриксе. Изготовлена модельная система трехмерных многомасштабных самоорганизующихся структур, сделанных из биомиметического гидроксиапатита в органических средах, в матрице агара с органическими добавками (желатин, коллаген), чтобы имитировать физиологические условия. Изучено влияние различных условий концентрации гидрофосфата натрия и хлорида кальция, величины pH, температуры и концентрации полимерного матрикса на значение р-фактора (коэффициента разнесения структуры) и фазовый состав фосфатов кальция, а также их морфологию, периодичность, стабильность и количество. Разработаны биомиметические функциональные материалы на основе гидроксиапатита, которые обладают отчетливой структурной организацией на микро- и наноуровне. Разработана также модельная система формирования периодических упорядоченных паттернов на основе гидроксиапатита в органическом матриксе, которая может служить модельной системой для формирования костной ткани в человеческом организме. Изучены различные фазовые составы и условия формирования периодически упорядоченных 2D- и 3D-мерных структур для фосфатов кальция. Разработаны методики для получения различных градиентных материалов. Впервые в мире система с периодически упорядоченными структурами адаптирована для экспериментов с клеточными культурами. Установлено, что клетки предпочитают расти на кольцах гидроксиапатита или вблизи их в течение первых 1-13 дней культивации, при этом кольца фосфатов кальция они используют как строительный материал и клеточная ткань сама принимает форму сформированных ранее узоров из фосфатов кальция. После 17 дней культивации клетки формируют сеть коммуникаций между кольцами фосфатов кальция и закрывают всю поверхность образца. Таким образом, подобная система позволяет сформировать упорядоченные структуры из клеточной ткани. Статья опубликована в журнале с квартилем Q1 (Eltantawy, M. M., Belokon, M. A., Belogub, E. V., Ledovich, O. I., Skorb, E. V., & Ulasevich, S. A. Self‐Assembled Liesegang Rings of Hydroxyapatite for Cell Culturing. Advanced NanoBiomed Research, 2000048. https://news.itmo.ru/ru/news/10236/)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения проекта разработана методика анодирования образцов сложной формы и выявлено, что оптимальными для осаждения равномерных оксидных покрытий являются концентрированные неводные электролиты на основе фторида аммония и этиленгликоля. Показано, что для анодирования изделий сложной формы с большой удельной поверхностью необходимо подбирать инертные катоды с площадью поверхности примерно в два раза больше площади анодируемого изделия, чтобы получить равномерные по всей поверхности образца однородные покрытия. Изучены особенности высвобождения модельных антибиотиков тетрациклина и гентамицина из изделий сложной формы без и с модификацией гидроксиапатитом (ГА) в физиологический раствор и раствор SBF, имитирующем по составу межтканевую жидкость организма при температурах, близких к физиологическим. Обнаружено, что осаждение на изделиях сложной формы полиэлектролитных мембран для создания систем, активируемых ИК-облучением, не являются оптимальным для инициации высвобождения загруженного вещества, так как изделие сложной формы может рассеивать или отражать свет. В связи с этим было предложено использовать ультразвук как другой фактор, способствующий наиболее быстрому высвобождению загруженного вещества, и была оценена возможность более быстрого высвобождения тетрациклина при использовании ультразвуковой обработки с частотой 45 кГц в течение первых 3 ч. Разработан сонохимический метод изготовления материалов с повышенной антибактериальной активностью. Установлено, ультразвуковая обработка сплавов латуни позволяет получить материалы с различной антибактериальной активностью, которую можно регулировать в зависимости от условий УЗ обработки. По данным результатам опубликована статья (Sabbouh М., Nikitina А., Rogacheva E., Kraeva L., Ulasevich S.A., Skorb E.V., Nosonovsky M. V. Separation of motions and vibrational separation of fractions for biocide brass Ultrasonics Sonochemistry, 2021. – Volume 80, P. 105817 https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105817, Q1). Полученные ранее данные позволили разработать способ получения градиентных материалов с синергетическим антибактериальным эффектом ионов цинка и меди. Установлено, что варьирование условий УЗ обработки позволяет получать градиентные материалы с различной бактерицидной активностью. Выявлено, что в процессе УЗ обработки латуни возможна стабилизация фазы одновалентного оксида меди, высвобождающего в пространство Cu+. Изучена биоцидная активность полученных градиентных материалов на пяти различных бактериальных штаммах, как грамотрицательных, так и грамположительных, проявляющих различную чувствительность к катионам цинка и меди (I), меди (II). Полученные материалы могут найти свое применение в качестве само стерилизующихся покрытий на медицинских изделиях. Показано, что исследование изучения особенностей формирования кости в условиях ограниченной диффузии ионов кальция может в первом приближении служить моделью образования минеральной составляющей кости в человеческом организме и в будущем может быть использована для разработки способов лечения остеопороза. Исследование стабильности фосфатов кальция в полученных гидрогелях из желатина и агара позволит получить данные о биоминерализации фосфатов кальция в зависимости от их окружения и спрогнозировать эти явления. Установлено, что разработанный способ позволяет получить упорядоченные паттерны из фосфатов кальция, причем в зависимости от подобранных условий можно сделать так, чтобы в центре преобладала фаза гидроксиапатита, а по краям образца – трикальцийфосфата или кислых фосфатов кальция. Показано, что в фосфаты кальция можно загружать различные метаболически активные вещества, а также антибиотики, которые предположительно будут высвобождаться и оказывать воздействие на иммобилизованные на поверхности образцов клетки. Обнаружено, что наличие в гидрогеле оптически активных веществ приводит к тому, что конгломераты из частиц ГА, приобретают способность вращать плоскость поляризации проходящего через них оптического излучения, что может быть обусловлено специфической ориентацией ионов в элементарных ячейках кристалла, а также асимметрией поля сил, связывающих частицы в кристаллической решётке. Следует также отметить, что несмотря на введение в полимерную матрицу только левовращающих кислот, в полученных материалах обнаружены конгломераты ГА, способные вращать плоскость поляризации не только влево, но и вправо, причем процентное соотношение таких частиц составляет 53 % и 47% соответственно. Установлено, что фосфаты кальция способны сорбировать добавленную в матрицу агара L-аскорбиновую или L-глутаминовую кислоты, с последующим их высвобождением в течение первых 8–16 часов в количестве примерно 80% от начальной концентрации загруженного вещества. Выявлено, что кинетика высвобождения загруженных L-аскорбиновой или L-глутаминовой кислот не зависит от начальной концентрации вещества, введенной в матрицу агара. Установлено, что наибольший рост клеточной плотности наблюдается на полученных кольцах, в то время как вне колец клеточный рост значительно (примерно в 2 раза) замедлен для всех систем. Исследование цитотоксичности показало, что введение в фосфаты кальция метаболически активных веществ способствуют повышенной клеточной выживаемости (более 90 %), что в свою очередь может оказать воздействие на плотность формируемой минеральной составляющей кости. Показано, что чем ниже концентрация добавляемого оптически активного вещества, тем ниже выживаемость клеточной линии. Наиболее благоприятная концентрация L-глутаминовой и L-аскорбиновой кислот для выживания клеток составляет 1 мМ, при этом жизнеспокобность клеток более 90 %. Обнаружено уникальное свойство полученных паттернов ГА оказывать воздействие на пролиферацию иммобилизованных на поверхности клеток и направление их роста. Показано, что адсорбированные на поверхности колец клетки ориентированы вдоль колец и растут, повторяя форму ГА паттерна, что может быть использовано для разработки материалов для регенеративной медицины. Выявлено, что наибольшая оптическая плотность наблюдалась на образцах ГА, выращенных в агаре с концентрацией L-глутаминовой и L-аскорбиновой кислот в концентрации 1 ммоль/л, при этом жизнеспособность клеток более 90 %. Установлено, что введение в данную систему антибиотиков способствует тому, что этот антибиотик будет постепенно высвобождаться из матрицы гидрогеля и паттернов фосфатов кальция, что будет ингибировать рост микроорганизмов и оказывать противовоспалительное воздействие. Выявлено, что одновременно с этим фосфаты кальция будут служить строительным материалом для образования новой костной ткани и каркасом для роста клеточных тканей. Показано, что в течение первых 13 ч из порошка ГА, полученного из агара, содержащего 0,1 мг/мл и 0,010 мкг/мл гентамицина, высвобождается около 90% и 82% гентамицина соответственно. Затем скорость высвобождения резко замедляется, и в течение следующих 4 дней высвобождается около 5% от исходной концентрации инкапсулированного антибиотика. В случае с тетрациклином наблюдается схожая тенденция, однако высвобождаются меньшие концентрации тетрациклина, что может быть обусловлено большей константой связывания антибиотика и ГА. Установлено, что паттерны ГА, полученные в гидрогеле с самой низкой концентрацией антибиотика (0,01 мкг/мл), способны подавлять рост бактерий St. aureus, основного возбудителя остеомиелита, а даже высокая концентрация антибиотика (около 100 мкмоль/мл) не оказывает существенного влияния на рост клеток. Определена жизнеспособность клеток в зависимости от концентрации загруженного в гидрогель антибиотика и найдены оптимальные концентрации антибиотика, равные 0,01–1,0 мкг/мл, которые необходимы для получения паттернов ГА, ингибирующих рост бактерий при сохранении клеточной пролиферации и жизнеспособности свыше 80 % в случае гентамицина и 50 % для тетрациклина.