Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В первый год выполнения проекта решены ключевые задачи, связанные с реализацией 4D печати функциональных полимеров с избирательно активируемым откликом. Значимым для выполнения проекта решением является синтез латексных частиц с различным зарядом, реализованный на основе поли(этилметакрилата) методом эмульсионной полимеризации. В ходе проведенного исследования было установлено, что противоположно заряженные латексные наночастицы могут образовывать наноколлоидный гидрогель вследствие электростатического притяжения между положительно и отрицательно заряженными наночастицами. В свою очередь, такой гидрогель может использоваться в качестве чернил для экструзионной трехмерной печати. На данном этапе реализации проекта экспериментально получены три вида чернил на основе противоположно заряженных латексов: бесцветные (чернила 1), зеленые (чернила 2, содержащие флуоресцеиновый фрагмент) и голубые (чернила 3, содержащие антраценовый фрагмент). Во всех полученных гелях реализована тиксотропия и способность быстро восстанавливать вязкость после снятия нагрузки в трехинтервальном тесте. Оба эти свойства обуславливают применение данных гелей в качестве чернил для экструзионной 3Д печати. Разработанные чернила были опробованы при печати тестовых паттернов. В качестве демонстрации были напечатаны паттерны инь-янь и паттерн с рыбами и птицами по мотивам произведения художника Маурица Эшера. При исследовании методом конфокальной микроскопии полученные паттерны показали избирательные оптические свойства. В видимом свете они представляют собой непрозрачные пленки, а при облучении в определенных диапазонах длин волн проявляют заданное изображение (в спектральном диапазоне 400-480 нм визуализируются зеленые чернила на основе флуоресцеина; в диапазоне 250-375 нм визуализируются голубые чернила). Таким образом, в проведенном исследовании реализованы начальные подходы к разработке функциональных (многоцветных) коллоидных чернил на основе латексных наночастиц для 3D и 4D печати. В выполненной работе исследованы важные для разработки функциональных коллоидных гидрогелевых чернил критерии пригодности для экструзионной 3D и 4D печати. В частности, показано, что слабые физические гели с тиксотропными свойствами образуются только в определенном диапазоне составов чернил. При этом, размер и асимметрия заряда в смесях разноименно заряженных частиц влияет на структуру кластеров и их распределение в сетке, что в итоге определяет свойства коллоидного гидрогеля. Таким образом, точная настройка заряда поверхности и размера частиц являются ключевыми факторами, обуславливающими возможность создания чернил с управляемыми свойствами. Это открывает дальнейшие пути разработки наноколлоидных чернил для 3D и 4D печати. Ключевые результаты исследований были представлены восьмью докладами на международных и всероссийских конференциях и трижды были отмечены конкурсными жюри в категории «лучший устный доклад». Наиболее значимые результаты представлены в статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials (Q1, IF=16.836). Руководителем проекта получено и принято предложение участия в качестве приглашенного редактора в специальном выпуске "3D Printing of Functional Polymer Composites" журнала Polymers (Q1, IF=3.426).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Второй год выполнения проекта был направлен как на решение инженерных задач, связанных с 3D печатью, так и на фундаментальное изучение формирования коллоидных гелей на основе стимул-чувствительных полимеров. Одним из важных результатов осуществления исследований были разработка и воплощение в жизнь схемы модификации коммерчески доступного FDM принтера для печати полимерными гидрогелями. Модификация заключалась в создании новой печатной головки и плунжерного насоса, которые были напечатаны на исходном принтере. Все используемые расходные материалы (соединительные трубки, пластик, винты и др.) были отечественного производства или получены из дружественных стран (Китай). Было достигнуто разрешение печати сопоставимое с коммерческими экструзионными принтерами. Были разработаны коллоидные гели на основе нанокристаллической целлюлозы (НКЦ) и поли(N-изопропилакриламида) (ПНИПАМ). Исследование фазовой диаграммы состояния коллоидной системы на основе НКЦ и ПНИПАМ показало, что в зависимости от соотношения между компонентами эта коллоидная система может представлять собой гель или золь при 25 oC и гель или осадок при 37 oC. Полученные гидрогели были биосовместимыми, проявляли тиксотропные свойства и их механические свойства, а также температурную чувствительность можно было регулировать, варьируя концентрации и соотношения ПНИПАМ и НКЦ. Мы продемонстрировали инжектируемость полученных гидрогелей. Разработанные коллоидные гели могут стать простой и удобной платформой для биоприменений, где дальнейшее развитие работы может быть связано с введением в гель физиологически активных молекул, специфичных для конкретной задачи. Простота процесса производства гидрогелей, их фибриллярная структура, свойства разжижения при сдвиге и контроль механических свойств, а также биосовместимость используемых компонентов делают эти гидрогели перспективными для биоприменений, связанного с 3D-экструзионной печатью, такими как каркасы для культивирования клеток, биоразлагаемые системы доставки лекарств и повязки для ран. Были изучены фундаментальные особенности взаимодействия наночастиц при формировании коллоидных гелей. Изучены температурные эффекты, влияющие на эластичность контактов между частицами, а также влияние формы частиц на морфологическую структуру образующихся гелей. Ключевые результаты исследований были представлены на международных и всероссийских конференциях и трижды были отмечены конкурсными жюри в категории «лучший устный доклад».

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Третий год реализации проекта был сфокусирован на изучении высвобождения физиологически активных веществ из стимул-чувствительных коллоидных гелей. Было изучено высвобождение физиологически активного вещества, паклитаксел (противоопухолевый препарат), из термочувствительных гелей, полученных в предыдущий год выполнения исследования. Продемонстрировано отсутствие цитотоксичности исходного гидрогеля для клеток глиобластомы человека T98G. Применение математических моделей к данным по кинетике высвобождения паклитаксела из гидрогеля при 37 оС позволило установить, что массоперенос лекарства подчиняется закономерностям диффузии по Фику. В экспериментах in vitro было показано, что при культивации клеток на поверхности термочувствительного гидрогеля, содержащего паклитаксел, происходит заметное снижение количества жизнеспособных клеток глиобластомы человека T98G (IC50 93.9 нг/мл). Таким образом, разработанные гели перспективны для малоинвазивной пролонгированной постоперационной химиотерапии глиобластомы. Были обобщены литературные данные о гидрогелях, полученных реакцией Дильса-Альдера и применяемых в качестве имплантов, систем доставки лекарств и скаффолдов для тканевой инженерии. На основе проведенного анализа разработаны новые коллоидные гели на основе нанокристаллической целлюлозы (НКЦ), модифицированной фурановыми и малеимидными группами, способными вступать в реакцию Дильса-Альдера, а также содержащими альдегидные группы. В гидрогель было внесено активное вещество, бензокаин (анестетик местного применения), которое взаимодействовало с гелем с образованием иминовой связи между альдегидными группами НКЦ и первичными аминогруппами бензокаина. Синтезированные гидрогели демонстрировали стимул-чувствительное высвобождение, бензокаина при рН 5, обусловленное деградацией иминовой связи. При этом деградация самого геля не наблюдалась, поскольку он образован рН устойчивыми связями аддуктов реакции Дильса-Альдера. Разработанные коллоидные гели являются удобной платформой для создания имплантов или раневых повязок с рН чувствительным релизом физиологически активных агентов, содержащих первичную аминогруппу. Были систематизированы литературные данные о наноколлоидных гелях, в которых наночастицы являются основным гелеобразующим компонентом. Данный литературный обзор включал результаты, полученные за предыдущие годы выполнения проекта. Описаны фундаментальные особенности взаимодействия наночастиц при формировании коллоидных гелей, методы характеризации коллоидных гелей, а также различные аспекты их применения. Результаты выполнения проекта опубликованы в высокорейтинговых журналах, относящихся к первому квартилю: Chemical Society Reviews (RSC, Q1, IF=54.695), Polymers (MDPI, Q1, IF=4.801) и Gels (MDPI, Q1, IF=4.702). Представление результатов исследования участниками проекта на международных и всероссийских конференциях четырежды были отмечены дипломами за «лучший устный доклад».