КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-12-00031

НазваниеФизические свойства биоактивных систем с магнитными наночастицами

РуководительЗубарев Андрей Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2020 - 2022

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаМагнитные наночастицы; жидкие и мягкие среды; магнитные свойства; внутренние структуры; физическая гидромеханика; магнитореология

Код ГРНТИ29.17.31


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Тромбирование кровеносных сосудов, разрушение и некротизация тканей организма являются очень распространенными и трудно излечимыми заболеваниями, часто приводящими к летальным исходам. Лечение этих заболеваний, как правило, требует больших финансовых затрат и длительного времени, в том числе, требуемого для восстановления организма пациента. Проблема обостряется общим повышением возраста населения и, обусловленным этим, увеличением числа заболеваний тканей и кровеносной системы жителей развитых стран, в том числе, России. При необходимости трансплантации, использование тканей пациента оказывается не всегда возможным; запасы донорских тканей, как правило, весьма ограничены. Поэтому важной и актуальной является задача развития новых, в том числе физических, методов повышения эффективности лечения этих заболеваний, разработка и исследование новых методов адресной доставки лекарств, а также новых материалов для биоинженерии, регенерации и трансплантации тканей организма с целью восстановления поврежденных или даже некротизированных участков ткани. Первым направлением проекта является исследование фундаментальных физических особенностей нового метода адресной доставки лекарств к тромбированным участкам кровеносных сосудов, развиваемом в ряде научных центров мира для лечения тромбозов и инсультов. Этот метод состоит во внедрении в кровеносные сосуды тромборазрушающего лекарства вместе с феррожидкостью, содержащей биологически интактные магнитные наночастицы. Под действием переменного магнитного поля частицы и их агрегаты приводятся во вращательное движение, которое индуцирует микро- и мезоскопические циркулярные потоки несущей жидкости (крови). Эти потоки намного интенсифицируют транспорт лекарства в тромбированных сосудах по сравнению с диффузионным транспортом, что создает возможности более быстрого и эффективного лечения сосудистых заболеваний, уменьшения рисков летальных исходов при инсультах и тромбозах. При реализации проекта экспериментально и теоретически будут исследованы фундаментальные особенности динамики и агрегирования магнитных наночастиц в осциллирующих и вращающихся магнитных полях; магнитного и гидродинамического взаимодействия вращающихся частиц и агрегатов; генерации ими разномасштабных циркуляционных течений несущей жидкости в сосудах, размеры и геометрия которых имитируют таковые для кровеносных сосудов. Второе направление проекта состоит в синтезе и исследовании новых материалов для инженерии и регенерации биологических тканей. Одним из активно развиваемых направлений в этой области является использование биосовместимых гелевых матриц (скаффолдов) для роста и инженерии клеточных структур и биологических тканей. Это обусловлено тем, что в таких матрицах темп размножения клеток и роста тканей оказывается существенно выше, чем в их отсутствии; скаффолды задают необходимое направление роста, а также внутреннюю архитектуру растущей ткани; служат для нее защитой от внешних воздействий. При этой технологии биосовместимая матрица имплантируется в область, где необходимо осуществить регенерацию ткани, и фиксируется там; клетки здоровой ткани растут через матрицу, восстанавливая, тем самым, целостность и функциональность всей ткани. Использование матриц роста позволяет в разы сократить стоимость и время лечения пациентов, а также риски послеоперационных осложнений. В клинической медицине биосовместимые гелевые импланты уже используются для лечения парадонтозов, при деградации и разрушении хрящевых тканей, переломах костей черепа и опорно-двигательной системы, в кардиологии. С точки зрения регенеративной медицины и биоинженерии тканей, биосовместимые гидрогели (гели на водной основе) являются одним из самых перспективных материалов. Использование магнитных гидрогелей в качестве матриц регенерации биологических тканей имеет ряд принципиальных преимуществ перед их немагнитными аналогами. Эти преимущества подробно обсуждаются в основной части заявки. Второй из главных задач проекта является синтез новых типов биологических магнитных гидрогелей для целей инженерии и регенерации биологических тканей, исследование фундаментальных особенностей внутренней архитектуры этих материалов, их физических свойств, поведения а также возможностей управления ими при помощи внешнего магнитного поля. Конечной целью проекта является создание фундаментальной научной основы применения магнитных наночастиц для развития новых технологий, адресной доставки лекарств к местам тромбирования кровеносных сосудов, а также для инженерии и регенерации биологических тканей. Оба направления проекта имеют дело с исследованием свойств и поведения ансамблей магнитных наночастиц в биологических жидких и мягких средах. Поэтому, с точки зрения фундаментальных исследований, они взаимно дополняют друг друга. Результаты, полученные при исследовании наночастиц в жидких средах, будут способствовать прогрессу при изучении поведения этих частиц в мягких гидрогелях, и наоборот.

Ожидаемые результаты
1. Будут установлены закономерности агрегирования, под действием переменного магнитного поля, ферромагнитных наночастиц, взвешенных в водных растворах и в растворах, чьи реологическим свойства имитируют свойства крови. Установившейся размер и форма агрегата будут определены как функции напряженности и частоты поля, размера и концентрации частиц, реологических характеристик несущей жидкости. 2. Будут установлены характеристики микроскопических и макроскопических циркуляционных течений, индуцированных магнитными частицами и их агрегатами в несущей жидкой среде под действием переменного магнитного поля. На основе этого будут определены транспортные характеристики молекулярной примеси (имитирующей тромборазрушающее лекарство) в сосудах, форма и размеры которых соответствуют кровеносным сосудам. 3. Будут разработаны методы синтеза альгинатных и пептидных феррогелей; определены термодинамические характеристики взаимодействия наночастиц магнитного наполнителя с несущей полимерной средой 4. Внутренняя архитектура альгинатных и пептидных феррогелей (особенности расположения частиц и конформации полимера, пористость и анизотропия композита) будет установлена в зависимости от типа несущего полимера, размера, формы и концентрации внедренных магнитных наночастиц, напряженности магнитного поля, в котором осуществлялся синтез материала и поля, действующего в момент измерений. 5. Будут определены магнитные (кривая намагниченности) и реофизические (зависимости реологического напряжения от величины и скорости изменения деформации) характеристики исследуемых магнитных биополимеров, их магнитострикционные характеристики как функции от размера, формы и концентрации внедренных частиц, а также напряженности магнитного поля, в котором осуществлялся синтез материала и поля, действующего в момент измерений. Эти результаты будут установлены как экспериментально, так и теоретически, при использовании аналитических и компьютерных методов. Теоретические исследования будут верифицироваться результатами проводимых экспериментов. Научная значимость и новизна этих результатов заключается, прежде всего, в том, что биологические феррогели и феррожидкости являются новым типом функциональных композитных материалов для высоко технологических медицинских и биоинженерных приложений. Сценарии структурных и фазовых превращений в них, тем более – под действием переменных магнитных полей, принципиально отличаются от изученных сценариев фазовых и структурных превращений в коллоидных системах на низкомолекулярных основах в нулевых или постоянных полях. Эти превращения и их влияние на физические свойства и поведение биополимерных магнитных материалов в литературе практически не исследовались. Впервые будут исследованы особенности гидродинамических неустойчивостей жидкостей с магнитными наночастицами в переменных магнитных полях и индуцируемых этими полями циркуляционных течений как на масштабах отдельных частиц и агрегатов, так и на масштабах, определяемых размером канала (сосуда) с этой жидкостью. Все запланированные результаты находятся на передовом уровне исследований систем и материалов с магнитными наночастицами (феррожидкостей, феррогелей), а также развития новых методов их высокотехнологического применения. Прикладная значимость результатов проекта состоит в развитии научной основы применения новых типов магнитных гидрогелей в качестве магнитоуправляемых матриц роста и инженерии биологических тканей, прежде всего, для целей регенеративной медицины, трансплантологии и инженерии биологических тканей, а также новых методов адресной доставки, лекарств в необходимое место организма (тромбированные участки кровеносных сосудов). Это позволит уменьшить необходимость в традиционных открытых хирургических вмешательствах, следовательно, уменьшить риск послеоперационных осложнений и летальных исходов, уменьшить время лечения и повысить комфортность лечения для пациентов. Возможность, на основе полученных результатов, развивать новые медико-биологические технологии, позволяющие решать сложные задачи современного здравоохранения, составляет потенциальный вклад проекта в экономику и социальную сферу России.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ