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.

НазваниеГибридные биоматриксы с интеллектуальным антибактериальным покрытием на основе ксеноперикарда Bos taurus и наночастиц хитозана для сердечно-сосудистой хирургии

РуководительЧащин Иван Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Аннотация
В последние десятилетия наблюдается повышенный интерес к разработке новых композиционных биоматериалов для создания биопротезов с существенно увеличенным сроком службы. В настоящей момент, проблема устранения кальциноза биологических протезов клапанов сердца и послеоперационных инфекционных осложнений является важной научно-практической задачей, решением которой может стать создание гибридного биоматрикса на основе стабилизированной глутаровым альдегидом (ГА-сшитой) ксеноткани перикарда с биополимерным покрытием. Интерес к биополимерам, в том числе и в области создания гибридных биоматриксов, в значительной степени связан с их природной возобновляемостью, биосовместимостью, а также антимикробным свойствам. В настоящем проекте планируется с использованием «зеленых технологий», а также биосовместимых природных полимерных материалов разработать новые подходы к созданию биопротезов для кардиохирургии, отличающихся от ныне существующих лучшей функциональностью и более длительным сроком службы. Из анализа литературы, а также работ нашего коллектива следует, что наиболее подходящим по предъявляемым функциональным характеристикам, к тому же, биосовместимым с коллагеновой тканью искусственных клапанов сердца является хитозан. К тому же, его растворимость в воде и высокая проникающая способность при сверхкритическом давлении СО2, должна обеспечить импрегнирование и надежное конформационное закрепление полимера во внутренние полости пористой коллагеновой матрицы. Особенностью создаваемого антибактериального покрытия является то, что оно будет состоять из наночастиц хитозана, инкапсулированных антимикробными агентами, и закрепленных на биоматриксе из перикарда быка (Bos taurus). В качестве антибактериальных агентов будет использован высокоэффективный антибиотик четвертого поколения ванкомицин, не подвергаемый деструкции в физиологических условиях на протяжении длительного времени тетрациклин, а также устойчивые в различных средах производные фторхинолинового ряда. Такое строение данного покрытия позволяет реализовывать эффект интеллектуального антимикробного отклика на рост патогенной биоплёнки за счёт расправления полимерных хитозановых цепей на короне хитозановых наночастиц при понижении рН в результате протонирования полимерных цепей и электростатического отталкивания заряженных аминогрупп, что приведет к: 1) возрастанию площади полимерной короны, 2) высвобождению антимикробного агента, инкапсулированного в наночастицу. При этом, антибактериальные вещества при нормальном функционировании организма инкапсулированы в биосовместимую хитозановую оболочку, могут выделятся лишь при контакте патогенных бактерий с биопротезом. Кроме того, ожидается высокая стабильность покрытия из хитозановых наночастиц за счёт ковалентного связывания аминогрупп полимера с остаточными альдегидными группами на поверхности ГА-сшитой коллагеновой ксеноткани. Наличие люминисценции в УФ-свете при длине волны 365 нм у входящего в состав наночастиц антибактериального фторхинолина, позволяет осуществлять анализ качества хитозанового покрытия при помощи OLED-технологий. Особая роль в проекте будет уделена фундаментальным исследованиям влияния физического растворителя хитозана системы H2O/CO2 на структуру и свойства формируемых полимерных наночастиц и биополимерных покрытий на их основе. Будет впервые всесторонне исследовано влияние давления (P) и рН в бифазной системе вода/диоксид углерода (в том числе исследовано влияние среды флуктуирующей фазы клатратных гидратов) на характеристики получаемых в этих растворах наночастиц (степень набухания наночастиц, ζ-потенциал, степень сшивки, растворимость в растворах бифазной системы). В рамках реализации проекта будут исследованы закономерности формирования гибридных биоматриксов с хитозановым покрытием, подобраны оптимальные условия нанесения покрытия из бифазной системы (температура, давление СО2, время экспозиции), а также исследованы свойства покрытия (гидрофильность, характер связи с матриксом, физическое состояние). Это будет первым известным из литературы примером создания таких гибридных биоматриксов с использованием в качестве растворителя воды, насыщенной СО2 под высоким давлением. Будут всесторонне исследованы механико - прочностные и биологические свойства (способность к подавлению кальциноза, антимикробность и биосовместимость) получаемых биоматриксов при оптимальных параметрах, давления, температур и времени экспозиции. Для изучения биологических свойств и устойчивости покрытий к кальцинозу планируется проведение ряда модельных in vivo исследований на мелких лабораторных животных. Устойчивость к микробной колонизации, а также интеллектуальный антимикробный отклик будут исследован в опытах по заселению матриц с биополимерными покрытиями и контрольных образцов биоткани музейными и клиническими штаммами микроорганизмов при различных значения рН, моделирующих нормальное состояние и инфекционное заражение имплантата.

Ожидаемые результаты
1. В рамках реализации проекта будут разработаны основы методов создания биокомпозитных матриксов на основе ГА-сшитой коллагеновой ксеноткани с наноструктурированным хитозановым покрытием с инкапсулированными лекарственными веществами (антибиотиками - ванкомицин, тетрациклин, новые специально синтезированные соединения фторхинолинового ряда). Впервые в качестве среды, в которой происходит формирование таких композитов будет бифазная системы H2O/CO2. 2. Впервые с помощью меченого тритием хитозана будет исследована кинетика и изотермы адсорбции наночастиц хитозана, нанесённых на коллагеновую ткань из растворов системы H2O/CO2 под давлением. 3. Впервые будет исследована общие закономерности формирования наночастиц хитозана и наноструктурированных покрытий на их основе при нанесении из растворов в угольной кислоте и влияние на их морфологию и структуру условий их получения, в частности, будет оценено влияние параметров среды (температура, давление, pH, ионная сила). 4. Будут исследованы характер взаимодействия формируемого покрытия на основе наночастиц хитозана с ГА-стабилизированной коллагеновой матрицей перикарда, а также гидрофильные свойства покрытия и его физическое состояние в биоматриксе. 5. Впервые будет систематически исследовано влияние среды клатратных гидратов в бифазной системе вода/диоксид углерода на структуру коллагенового биоматрикса с покрытием на основе наночастиц хитозана. Особенностью данной фазы является то, что при определённых параметрах давления и температур бифазная система вода/диоксид углерода будет переходит в однородную фазу клатратных гидратов, способных, как было ранее нами показано, задавать нано- и микропористую гистоархитектонику коллагенового матрикса за счёт "бомбардировки" флуктуирующих клатратных гидратов. 6. На модельных in vivo экспериментах будет исследована стабильность биополимерного покрытия, наносимого на коллагеновые матрицы из растворов в угольной кислоте, при варьировании давления и рН угольной кислоты. Будет исследован механизм интеллектуального антимикробного отклика в опытах по заселению матриц с биополимерными покрытиями и контрольных образцов биоткани музейными и клиническими штаммами микроорганизмов при различных значения рН, моделирующих нормальное состояние и инфекционное заражение имплантата. 7. Ожидается, что полученные в результате реализации проекта научные результаты могут быть успешно применены для создания нового поколения гибридных биоматриксов с индуцированным высвобождением гормональных препаратов.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Прочное антимикробное защитное покрытие биоматриксов значительно повышает функциональность медицинских устройств, в частности биопротезов. В нашей работе мы получили специальное покрытие на основе наночастиц хитозана (в том числе допированных наночастицами Ag, а также впервые синтезированным антибиотиком), которые были получены и нанесены с использованием биосовместимой и самонейтрализующейся угольной кислоты в качестве полимерного растворителя. Такой подход позволяет получить биоматрицу с ковалентно связанным полимерным экраном с наночастицами, которые, в свою очередь, могут быть допированы (загружены) антимикробными агентами. Для цели создания хитозановых наночастиц допированных новым антибиотиком, впервые был получен композит на основе хитозана и синтезированного соединения фторхинолинового ряда 5-диметиламинометил-7-(2,2,2-трифтор-1-гидрокси-1-трифторметил-этил)-хинолин-8-ола (АФОХ). Проведен сравнительный анализ его антимикробной активности с другими хитозановыми композитами, содержащими в своем составе широко применяемые в современной медицине антибиотики тетрациклин, ванкомицин, ципрофлоксацин. Показана эффективность нового композита в плане подавления роста S.Aureus, что полагает также возможность получения хитозановых наночастиц допированных АФОХ для применения их в качестве покрытия биопротезов клапанов сердца, в том числе, с применением угольной кислоты. Впервые было показано, что в растворах в угольной кислоте методом ионного гелирования можно получать стабильные наночастицы хитозана. Были выявлены оптимальные параметры с точки зрения получения стабильных и однородных по размеру наночастиц в угольной кислоте: применение низкомолекулярного хитозана (Mη<100 кДа) , соотношение сшивателя (триполифосфата) к полимеру – 1:6, давление в угольной кислоте – 10-30 МПа. Было установлено, что в растворах хитозана в угольной кислоте, при найденных оптимальных условиях получения наночастиц, можно формировать устойчивые наночастицы хитозана допированные антибиотиком (АФОХ) и наночастицами серебра с высоким значением дзета-потенциала (|ζ|=45±5 и 35±5 мВ соответственно). Более того, высокоточный анализ, с использованием метода радиоактивных индикаторов, показывает четырехкратное увеличение осаждения наночастиц полимера, допированных наночастицами серебра, по сравнению с осаждением из обычного растворителя. Используя микроскопию высокого разрешения, удалось идентифицировать ультратонкое покрытие из полимерных сферических наночастиц (~50 нм для частиц допированнных Ag и ~70 нм, для допированных АФОХ), прилипающих к коллагеновым фибриллам. ИК НПВО анализ поверхности гибридного матрикса показал ковалентное связывание покрытия с исходным матриксом на основе сшитого глутаровым альдегидом перикарда, а исследование структуры объёма матрикса с помощью микроскопии высокого разрешения ультратонких срезов, показывает внедрение покрытия в поры исходного матрикса и сохранение гистоархитектоники ткани перикарда после нанесения. Результаты антимикробных исследований, а именно способности покрытия подавлять адгезию и рост патогенных бактерий, показывают возможность реализации индуцированного антимикробного ответа за счет изменения набухания полимерных наночастиц и высвобождения антимикробных агентов в случае роста патогена на биопротезе. Было получены весьма обнадёживающие результаты для гибридного матрикса с покрытием из наночастиц хитозана, допированных наночастицами серебра, в плане подавления кальциноза. Оказалось, что такой гибридный матрикс с покрытием содержит только (0,015±0,005) мас.% солей кальция после 4-месячного эксперимента на модельных крысах in vivo, что примерно на порядок ниже, чем, для применяемого в настоящий момент золотого стандарта в кардиохиругии - сшитого глутаровым альдегидом перикарда (0,070±0,015) мас.%.

Публикации

1. Чащин И. С., Синолиц М. А., Бадун Г. А., Чернагшева М. Г., Анучина Н. М., Крашенинников С. В., Хугаев Г. А., Петленко А. А., Бритиков Д. В., Зубко А. В., Курилов А. Д., Дрегер Е. И., Бакулева Н. П. Chitosan/hyaluronic acid polyanion bilayer applied from carbon acid as an advanced coating with intelligent antimicrobial properties for improved biological prosthetic heart valves International Journal of Biological Macromolecules, - (год публикации - 2022).

2. Чащин И.С., Перепёлкин Е.И., Дяченко В.И. Изучение антимикробного действия хитозанового покрытия, допированного фторсодержащими хинолинами Высокомолекулярные соединения (Polymer Science), - (год публикации - 2023).

3. Чащин И.С., Перепелкин Е.И., Синолиц М.А.,Бадун Г.А., Чернышева М.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АДСОРБЦИИ НАНОЧАСТИЦ ХИТОЗАНА НА БИОМАТРИКСЫ ИЗ РАСТВОРОВ В УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЕ X Российская конференция с международным участием «Радиохимия-2022», X Российская конференция с международным участием «Радиохимия-2022», Сборник тезисов, стр.536 (год публикации - 2022).