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 21-75-10005

НазваниеРегенерация зубной ткани за счет индуцированной эпитаксиальной биомиметической минерализации

РуководительГолощапов Дмитрий Леонидович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет", Воронежская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

КонкурсКонкурс 2021 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 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-405 - Регенеративная медицина

Ключевые словарегенерация эмали, биомиметический апатитный слой, биоинспирированные материалы для стоматологии, нанокристаллический карбонат-замещенный гидроксиапатит кальция, кальций-фосфатные кластеры, молекулярная структура биоинтерфейса

Код ГРНТИ76.29.55


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Регенерация зубной эмали, самой твердой биологической ткани в организме человека и животных, остается серьезной нерешенной проблемой, поскольку сложную иерархическую структуру природной эмали невероятно сложно воспроизвести в лаборатории в подходящих для медицинских целей масштабах. Несмотря на огромные усилия, предпринимаемые для воссоздания эмали зуба человека с использованием самых разных биомедицинских стратегий, таких как непосредственная минерализация из раствора, протеин/пептидное индуцирование минерализации, минерализация под воздействием гидрогеля и сборка с помощью прекурсоров, до сих пор не было получено удовлетворительных способов восстановления твердой зубной ткани для клинического применения. В нашем проекте мы предлагаем новый подход к регенерации зубной эмали, который может быть реализован за счет контролируемого индуцированного эпитаксиального кристаллического роста биомиметического апатитного слоя, воспроизводящего свойства природной твердой ткани зуба человека. Предлагаемый биомиметический рост основан на фазовом превращении, происходящем в переходном интерфейсном аморфно-кристаллическом слое на четко сформированной границе эмали (биотемплейте). В этой методике массив наноразмерных кальций-фосфатных кластеров, стабилизированных жидким органическим прекурсором, выступит в качестве точек роста нанокристаллов гидроксиапатита на биотемплейте, а полученные из биогенного источника кальция (яичной скорлупы) нанопризмы-стержни карбонат-замещенного гидроксиапатита, исполнят роль строительных блоков для ускорения процессов роста биомиметическом слоя и организации в нем иерархического подобия. При этом подобранный набор полярных аминокислот обеспечит заданную морфологию кристаллов гидроксиапатита, а также будет способствовать образованию функциональной связи между биомиметическим слоем и нативным зубным матриксом эмали. Предварительные результаты исследований продемонстрировали уникальную перспективу предлагаемого нами подхода: восстановление природной твердой ткани зуба может быть вполне устойчивым и долговечным, а предлагаемый процесс биоминерализации можно разрабатывать в деталях в качестве эффективного метода лечения эрозии зубной эмали в клинической практике. Научная новизна проекта заключается в том, что в нем впервые будет использована биомиметическая тактика для точного дублирования/копирования иерархической и достаточно сложной органо-минеральной структуры зубной эмали. Впервые будут всесторонне изучены закономерности индуцированного эпитаксиального кристаллического роста, а также физико-химические, морфологические, оптические и биомеханические свойства созданного биомиметического апатитного слоя на молекулярном уровне,. В результате на основе данных прецизионных и комплексных структурно-спектроскопических исследований будет получена совокупность данных о типе и характере органоминерального взаимодействия на границе биомиметическая система/природная твердая ткань зуба, а также установлены взаимосвязи между наблюдаемым взаимодействием и фундаментальными свойствами биомиметического слоя В дальнейшем результаты работ по проекту могут быть распространены на общую стратегию конструирования биоинспирированных материалов с высокой структурной сложностью, открывая новые направления развития BioHiTech мирового класса в медицине. Решение поставленных в проекте задач будет выполнено в тесном сотрудничестве с нашими международными партнерами из научных центров США и Австралии, которые предоставляют нашей исследовательской группе эксклюзивный доступ к своему научно-аналитическому оборудованию, в том числе к революционной технологии оптической фототермической инфракрасной спектроскопии (O-PTIR) с наноразмерным пространственным разрешением и системой визуализации данных. Задачи проекта безусловно являются масштабными, междисциплинарными и социально-важными, предлагаемые в заявляемом Проекте подходы по своей новизне и перспективности соответствуют мировому уровню и тенденциям в области фундаментальной медицины. Запланированные результаты позволят внести весомый вклад в решение основной проблемы данной области науки, имеющей не только фундаментальный, но и прикладной характер и находящиеся на стыке фундаментальной медицины, биоматериаловедения, физики и химии конденсированного состояния. Результаты проекта имеют большой инновационный потенциал в сегменте восстановительной стоматологии, являются патентоспособными. В результате выполнения Проекта будут подготовлены и опубликованы не менее 10 статей в журналах мирового уровня, в том числе 5 из перечня журналов входящих в первый и второй квартиль Q1/Q2, а также направлены заявки на получение патентов.

Ожидаемые результаты
С учётом междисциплинарного характера Проекта мы ожидаем получить уникальные прецизионные и комплексные данные на молекулярном уровне о механизмах биоминерализации и регенерации зубной эмали на основе контролируемого индуцированного эпитаксиального кристаллического роста биомиметического апатитного слоя. А именно: 1. Будет разработана технология синтеза биоинспирированного материала на основе массива наноразмерных кальций-фосфатных кластеров и нанокристаллического карбонат-замещенного гидроксиапатита, полученного из биогенного источника кальция. - подобраны оптимальные условия синтеза кальций-фосфатных кластеров (КФК) с размерами 2-20 нм в растворе с заданной в диапазоне 0,1-0,5 мг/мл концентрацией; - экспериментально определены параметры реакций преобразования массива кальций-фосфатных кластеров в аморфный фосфат кальция (АФК) в интервале температур 25-40 0С; - отработана методика получения монокристаллических нанопризм ГАП с характерными для зубной эмали структурой, составом и размерами нанокристаллов (определены концентрации реагентов: биогенного СаСО3 (полученного из яичной скорлупы), Ca(OH)2, H3PO4, третичных аминов, скорости и температуры проведения реакций, времени выдержки в растворе, оптимальные значения рН, фильтрации и режимов сушки: 100-400 С.); - получены данные об оптимальном соотношении кальций-фосфатных кластеров и призм-стержней к-ГАП для получения биоинспирированного материала; - получены экспериментальные данные о составе, структуре, фазовых превращениях, размерах и молекулярных свойствах синтезированных образцов совокупностью аналитических методов. 2. Подобран набор полярных аминокислот, обеспечивающий в совокупности с нанокристаллическим карбонат-замещенным гидроксиапатитом воспроизведение органоминерального состава эмали. - рассчитаны и определены концентрации и соотношение аминокислот для воспроизведения органической компоненты эмали в интервале от 1 до 10% по отношению к минеральной составляющей – нанопризмам гидроксиапатита в формируемом биокомпозите; - определены условия необходимые для создания функциональной связи аминокислотный матрикс – ГАП (характеристический интервал значений рН, температур, время адсорбции) при которых будет получена направленная организация кристаллов апатита на поверхности биотемплейтов; -установлено биомиметическое соответствие по морфологической организации, субструктуре нанокристаллов, элементному и фазовому составу разработанных биоинспирированных материалов и анатомической основы зуба с применением обширного ряда структурно-спектроскопических методов. 3. Определены оптимальные условия фазовых превращений (условия перехода КФК в аморфный фосфат кальция) в формируемом переходном интерфейсном аморфно-кристаллическом слое на поверхности эмали (биотемплейте), приводящие к биомиметическому росту апатитоподобной структуры. Подобраны оптимальные параметры, обеспечивающие контролируемую эпитаксиальную минерализацию на биотемплейтах природной эмали при температуре 37 С. 4. Будет развита и экспериментально реализована методика эпитаксиального направленного кристаллического роста биомиметического апатитного слоя, воспроизводящего свойства природной эмали зуба человека в условиях, моделирующих ротовую жидкость человека на образцах биотемплейтов: - будет отработана методика формирования биотемплейтов на основе интактных слоёв эмали с активированными поверхностными связями; - будут определены условия предобработки сформированных слоёв аморфного фосфата кальция и полученных нанопризм гидроксиапатита растворами полярных аминокислот и органических прекурсоров для ускоренного получения слоёв эмали толщиной не менее 500 нм; -определены направления преимущественного роста и распределение минеральной составляющей в органической матрице, подтвержден стабилизирующий эффект органического прекурсора, а также найдены условия, приводящие к появлению анизотропии в структуре биомиметического слоя, свойственной биогенным тканям. 5. Подобраны параметры биомиметического роста, обеспечивающие возникновение устойчивых функциональных связей на границе биоинспирированный эпитаксиальный апатитный слой/природная твердая ткань. На основе данных химического ИК-микроспектроскопического картирования, выполненного с привлечением субмикронной оптической фототермической ИК и Раман- спектроскопии, а также синхротронной ATR FTIR и последующего иерархического кластерного анализа спектральных данных с визуализацией результатов, будет установлено органоминеральное взаимодействие на границе биомиметическая система/естественная твердая ткань в зависимости от технологических условий формирования биомиметического слоя и предобработки биотемплейта. 6. Будут впервые всесторонне изучены закономерности индуцированного эпитаксиального кристаллического роста, а также физико-химические, морфологические, оптические и биомеханические свойства биомиметического апатитного слоя на молекулярном уровне. Получена совокупность данных о типе и характере органоминерального взаимодействия на границе биомиметическая система/естественная твердая ткань, а также установлены взаимосвязи между наблюдаемым взаимодействием и фундаментальными свойствами биомиметического слоя на основе результатов структурно-спектроскопических исследований. 7. Получена информация об устойчивости биомиметической эпитаксиальной конструкции к воздействию процессов деминералиации in-vitro. Создана модельная среда для изучения in-vitro устойчивости биомиметического слоя к воздействию процессов деминералиации/реминерализации, протекающих в ротовой полости человека. Оценена стабильность созданной биомиметической системы на основе смоделированной кариозной атаки. Ожидается, что протравливание в Н3РО4 (37% вес.) в течение 15 секунд не приведет к снижению основных механических характеристик созданного биомиметического слоя (твердости, упругости, трения) более чем на 10%. 8. Проведена апробация разработанных подходов индуцированной биоминерализации in-vitro. Апробирован механизм эпитаксиального роста на образцах зубов, удалённых у пациентов по ортодонтическим показаниям, в растворах моделирующих ротовую жидкость человека при температуре 37С при рН 7.00 ± 0.03. Установлено влияние изменений условий получения массивов КФК, размеров кластеров КФК и аморфного фосфата кальция, а также концентрации и соотношения основных полярных аминокислот на иерархическую структуру биомиметического апатитного слоя и его биомеханические свойства твёрдость и пластичность. 9. Будут выработаны практические рекомендаций для будущего использования полученных в ходе выполнения проекта данных в клинической практике лечения эрозии зубной эмали и начальных форм кариеса. 10. Будут подготовлены и опубликованы не менее 10 статей в журналах мирового уровня, в том числе 5 из перечня журналов первого/второго квартилей Q1/Q2, а также направлены заявки на получение патентов. Таким образом, в результате выполнения заявляемого проекта будет сделан существенный прорыв в направлении создания биоинспирированных материалов с высокой структурной сложностью. Это позволит найти прорывные решения, которые станут основой для нового терапевтического подхода к лечению кариеса и эрозии эмали зуба, при этом обеспечивая отличную биосовместимость, максимальное сохранение естественной ткани и высокий уровень успеха. Полученные результаты проекта будут полностью соответствовать мировому уровню, будут опубликованы в ведущих мировых изданиях, представлены на российских и международных конференциях, а также в открытых интернет сетях. Задачи проекта безусловно являются масштабными, междисциплинарными и социально-важными, а запланированные результаты позволят внести весомый вклад в решение основной проблемы данной области науки, имеющей не только фундаментальный, но и прикладной характер и находящиеся на стыке фундаментальной медицины, биоматериаловедения, физики и химии конденсированного состояния. Результаты проекта имеют большой инновационный потенциал в сегменте восстановительной стоматологии, являются патентоспособными.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В период 2021/22 года во время выполнения первого этапа работ по Проекту выполнена следующая работа и получены следующие конкретные результаты: 1. Разработана технология, подобраны и оптимизированы условия синтеза кальций-фосфатных кластеров (КФК) c размерами 2-20 нм и концентрацией в водно-спиртовых растворах в диапазоне 0,1-0,5 мг/мл; Подобраны и оптимизированы условия получения высокодисперсных растворов Са(ОН)2 для последующего синтеза массива КФК с использованием высокоскоростного перемешивания при 1500 об/мин оксида кальция с дистиллированной водой: для образования высокодисперсной смеси (СаОН)2 необходима температура смешивания 80 С, после охлаждения СаО и при скорости перемешивания 1200 об/мин и объёма дистиллированной воды 27 мл на 10 г исходного порошка СаСО3, что достаточно для получения гомогенной взвеси гидроксида кальция. В условиях поддержания температуры 37 С и с постоянным перемешиванием (1200об/мин) были получены взвеси кальций-фосфатных кластеров с концентрацией (0.04-0.1 мг/мл). Оптимизация условий выявила стабильное образование КФК при титровании раствора происходило до значения рН=8.7. Отработана методика получения монокристаллических нанопризм ГАП с характерными для зубной эмали структурой, составом и размерами нанокристаллов. -подобраны условия синтеза, позволяющие получить монокристаллические нанопризмы карбонат-замещенного гидроксиапатита с характерными для зубной эмали структурой, элементным составом, морфологическими и оптическими свойствами. Определены условия получения прекурсоров для получения нанопризм ГАП. В результате анализа показано, что изменение предобработки CaCO3 яичной скорлупы птиц, в растворах гексана и высокотемпературным отжигом (950 С – 2 ч.) с контролируемой скоростью роста темпертауры 300 град/час; последующем охлаждении в камере без активного доступа атмосферы до 600 С со скоростью 300 град/час; последующем охлаждении на атмосфере до 100 С в течении 20 минут позволяет получить однородный порошка оксида кальция необходимый для получения высокодисперсного оксида кальция и последующего получения монокристаллических нанопризм ГАП методом химического осаждения. 2. Исследования элементного состава, структуры, фазовых превращений, а также морфологических особенностей (размерах, формы и агрегации) и молекулярных свойств синтезированного биоинспирированного материала совокупностью аналитических методов; На основе анализа собственных экспериментальных данных, полученных совокупностью структурно-спектроскопических аналитических методов удалось показать, что особенности элементного состава, структуры, молекулярного строения синтезированных нами биоинспирированных композитов, имитирующих минерализованную зубную ткань, унаследованы от использованных для из создания карбонатзамещенного гидроксиапатита кальция (в большей степени) и аминокислотного коктейля. 3. Подбор аминокислотного состава и соотношения полярных аминокислот, обеспечивающих в совокупности с нанокристаллическим карбонат-замещенным гидроксиапатитом воспроизведение органоминерального состава эмали с характеристическим для природной эмали соотношением минеральной и органической компонент; На основе сравнительного анализа данных, полученных комплексом структурно-спектроскопических методов диагностики, был подобран аминокислотный состав и соотношение аминокислот: L-лизина гидрохлорида (L-LysHCl) и L-аргинина гидрохлорида (L-ArgHCl). Подобранный аминокислотный матрикс в совокупности с нанокристаллическим карбонат-замещенным гидроксиапатитом обеспечили воспроизведение органоминерального состава эмали. Анализ влияния вариации аминокислотного состава выявил возможные механизмы взаимодействия между аминокислотами и нанокристаллическим гидроксиапатитом, в зависимости от величины рН фактора раствора, из которого происходила кристаллизация биомиметических композитов n-cHAp/L-LysHCl и n-cHAp/L-ArgHCl. 4. Подбор условий для создания функциональной связи аминокислотный матрикс – ГАП при которых будет получена направленная организация кристаллов апатита на поверхности образцов нативной эмали (биотемплейтах); Обнаруженные механизмы взаимодействия n-cHAp, с характерным для апатита эмали зубов человека набором физико-химических свойств, и специфических полярных аминокислот, играют важную роль для подбора условий формирования биомиметических композитов и их интеграции с природной зубной тканью. 5. Определение биомиметического соответствия в морфологической организации, субструктуре, элементном и фазовом составе разработанных биоинспирированных материалов и анатомической основы зуба с применением структурно-спектроскопических методов; Анализ полученных нами результатов показал, что созданные для воспроизведения физико-химических характеристик биомиметические органоминеральные композиты демонстрируют хорошую имитацию (биомиметическое соответствие) не только морфологической организации, субструктуры, элементного и фазового состава, но и молекулярных, а также электронно-энергетических свойств, в т.ч. в отношении содержания карбонат аниона СO32- и атомарного Ca/P соотношения в нанокристаллах. Использование наноразмерного карбонатзамещенного гидроксиапатита для создания биоинспирированных композитов, а также понимание обнаруженных нами особенностей и механизмов его формирования в наномасштабе, позволили нам установить факт биомиметического соответствия между природной тканью и биоинспирированным композитом. 6. Подготовка 2 публикаций в рецензируемых журналах WOS/Scopus. Опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах WOS/Scopus, в т.ч. одна из них в журнале, входящем в список журналов первого квартиля Q1 (WOS/Scopus). Публикационные показатели реализации проекта за первый год его реализации перевыполнены. Cсылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту): https://nauka.tass.ru/nauka/13186587 https://rscf.ru/news/presidential-program/nebolshoe-otlichie-vo-vzaimodeystvii-kaltsiya/ http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=00ee99a2-d76b-4783-8b26-6162ce1c8c2a https://life.ru/p/1457273 https://www.gazeta.ru/science/news/2021/12/15/n_17014825.shtml

 

Публикации

1. - Небольшое отличие во взаимодействии кальция с окружением обусловило неидеальность материала пломб Инфарм, - (год публикации - ).

2. - Небольшое отличие во взаимодействии кальция с окружением обусловило неидеальность материала пломб Российская Академия Наук, - (год публикации - ).

3. - Физики выяснили, почему пломбы вываливаются из зубов Газета.ру, - (год публикации - ).

4. - Ионы кальция могут играть ключевую роль в "склеивании" пломб с зубом ТАСС, - (год публикации - ).

5. - Учёные выяснили, почему зубные пломбы часто выпадают LIFE.ru, - (год публикации - ).

6. Голощапов Д.Л., Буйлов Н.С., Емельянова А.А., Ипполитов И.Ю., Ипполитов Ю.А., Кашкаров В.М., Худяков Ю.Ю., Никитков К.А. и Середин П.В. Raman and XANES Spectroscopic Study of the Influence of Coordination Atomic and Molecular Environments in Biomimetic Composite Materials Integrated with Dental Tissue Nanomaterials, 1(11), 3099 (год публикации - 2021).

7. Дмитрий Голощапов, Владимир Кашкаров, Кирилл Никитков, Павел Середин Investigation of the effect of nanocrystalline calcium carbonate-substituted hydroxyapatite and L-lysine and L-arginine surface interactions on the molecular properties of dental biomimetic composites Biomimetics, 6, no. 4: 70 (год публикации - 2021).

8. Павел Середин, Дмитрий Голощапов, Никита Буйлов, Владимир Кашкаров XANES investigation of the influence of a coordinating atomic environment in biomimetic composite materials Results in Engineering, Volume 13, March 2022, 100337 (год публикации - 2022).