КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 22-73-00215

НазваниеБиоинсперированные минерал-полимерные материалы для направленной регенерации костной ткани

РуководительТетерина Анастасия Юрьевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словаБиосовместимые материалы, фосфаты кальция, покрытия, гидроксиапатит, октакальциевый фосфат, дефекты костной ткани, минерализация, деминерализованный костный матрикс, биоинженерия, регенеративная медицина.

Код ГРНТИ61.35.00 61.35.29

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка биоматериалов, предназначенных для восстановления функций и регенерации утраченных тканей в области обширных костных дефектов, на сегодняшний день одна из важнейших и актуальных задач современного материаловедения. Специфика структуры и свойств различных гистотипов костной ткани, а также процессов репаративного остеогенеза обусловливает высокие требования, предъявляемые сегодня как к материалам (которые должны обладать выраженным остеокондуктивным и остеоиндуктивным потенциалом), так и к технологиям производства этих изделий. Одним из наиболее перспективных и развивающихся подходов регенеративной медицины является «воссоздание» естественной костной ткани человека, т.е. гибридного материала, содержащего органическую составляющую - коллаген и неорганическую - фосфаты кальция, в частности, гидроксиапатит (ГАп) либо его прекурсоры. Проект направлен на изучение фундаментальных аспектов влияния физико-химических свойств кальций фосфатных соединений (КФС), в том числе, осаждаемых на трёхмерные скаффолды, на их биосовместимость, биоинтеграцию и регенерацию костной ткани. Несмотря на научный интерес и многочисленные исследования в этой области, полученные знания и представления остаются ограниченными и недостаточными для детального понимания влияния кальций фосфатных соединений на регенерацию. Научная новизна исследования заключается в создании активного кальций фосфатного покрытия заданного и контролируемого фазового состава на коллагеновые матриксы методом осаждения в условиях, приближенных к физиологическим, для дальнейшей доставки остеогенных факторов – белков, факторов роста, лекарственных препаратов. Биологическая активность остеогенных факторов будет сохранена путем совместного осаждения и включения в структуру биомиметического покрытия при условиях близких к физиологическим. В рамках выполнения проекта будет проведено комплексное in vitro и in vivo исследование биосовместимости и биоинтеграции кальций-фосфатных соединений, в том числе при их минерализации на остеокондуктивный матрикс, в зависимости от условий осаждения (температура, pH, фиксация поверхностного кальций-фосфатного слоя на матриксе и др.) и характеристик полученных материалов (фазовый состав, форма, размер, удельная поверхность, морфология поверхности частиц и т.д.). Научная значимость представленных исследований заключается в развитии современных представлений о способе минерализации кальций фосфатных соединений разного состава на полимерные матрицы при физиологических условиях, взаимодействии клеток организма с различными кальций фосфатными материалами, о влиянии этих материалов на процессы клеточной адгезии, пролиферации и дифференцировки, а также процессы регенерации костной ткани на основе комплексного химического и биологического подхода. В результате реализации проекта, одновременно с установлением научных закономерностей, будут разработаны технологии создания композиционных материалов сложной химической и пространственной структуры, обладающих выраженными остеогенными свойствами и способных обеспечивать аугментацию костной ткани по месту дефекта. Ожидаемые результаты имеют социальную значимость и вносят вклад в развитие области создания современных гибридных минерал - полимерных материалов медицинского назначения.

Ожидаемые результаты
В проекте ожидается получение следующих основных результатов: - анализ экспериментальных и теоретических разработок в области создания биосовместимых и биоинтегрируемых гибридных структур на основе фосфатов кальция с заданной архитектурой, регулируемыми механическими и биологическими свойствами; - фундаментальные основы создания гибридных конструкций на основе деминерализованного костного матрикса с максимально интактным коллагеновым матриксом (ДКМ) и поверхностным активным слоем кальций фосфатных соединений; - фундаментальные и технологические решения проблем осаждения кальций фосфатных соединений контролируемого фазового состава (ДКФД и ОКФ) на полимерный трёхмерный матрикс при физиологических условиях с сохранением фибриллярной ультраструктуры ДКМ и воспроизводимости результатов; - фундаментальные данные об особенностях влияния физико-химических параметров осажденного кальций - фосфатного слоя на его биологические свойства in vitro - ожидается выявить in vitro биосовместимость разработанного ДКМ материала, включая способность клеток к адгезии, распластыванию и пролиферации в материале и in vivo в модели гетеротопической имплантации, включая активное заселение межтрабекулярного пространства клетками реципиента, неоваскуляризацию, неоколланенез на материале. - будет установлен остеоиндуктивный и/или проинфламаторный эффект разработанных материалов в зависимости от особенностей состава и структуры их кальций-фосфатного покрытия. - будут оптимизированы условия осаждения кальций фосфатных соединений на деминирализованный костный матрикс, позволяющие получить композиционные материалы, обеспечивающие активную репопуляцию материала клетками реципиента, неоваскуляризацию, структуризацию неоколлагена, ремоделирование матрикса с одновременной физиологической минерализацией импланта при отсутствии преждевременной резорбции. Запланированные результаты в полной мере соответствуют мировому уровню современного биомедицинского материаловедения и будут иметь большую социальную значимость. Они могут внести существенный вклад в развитие передовых медицинских технологий, обеспечивая повышение качества жизни пациентов и продление срока их активной и полноценной жизни. Лечение заболеваний костных тканей, особенно злокачественных опухолей (например, остеосарком), часто связано с хирургическими вмешательствами, приводящими, как правило, к обширным послеоперационным дефектам. Поэтому создание новых эффективных материалов для направленной регенерации тканей является важной и актуальной социальной задачей, направленной на повышение качества жизни миллионов людей в России и в мире.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Создание костных трансплантатов с высоким потенциалом остеоинтеграции, способных обеспечить полную и эффективную регенерацию костной ткани, остаётся актуальным и нерешенным вопросом. В реализуемом проекте предлагается подход к разработке композиционного костного материала для реконструктивной хирургии путем нанесения (реминерализации) на поверхность высокочистого деминерализованного костно-коллагенового матрикса кальций-фосфатных покрытий. Нанесение фосфатов кальция заданного состава (реминерализации) на природные высокоочищенные костно-коллагеновые деминерализованные костные матрицы с сохраненной фибриллярной структурой в качестве биосовместимой пористой биоактивной матрицы предлагается решить с применением низотемпературного подхода в растворах солей при контролируемом значении рН и условиях максимально приближенных к физиологическим. Разработанный подход в первый год реализации проекта позволил получить покрытие состава дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД) с с однородной поверхностью равномерно осаждённый по всему объему пористой коллагеновой матрицы. Методами адсорбционной спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, микрокомпьютерной томографии (микроКТ) и инфракрасной спектроскопии, рентгеноструктурного анализа доказана эффективность осаждения фосфатов кальция заданного состава (ДКФД) на поверхности костно-коллагеновых каркасов. Гистологический и элементный анализ показали воспроизведение архитектоники матрикса костной ткани и высокую степень чистоты полученных коллагеновых матриксов; культивирование клеток и конфокальная микроскопия показали высокую биосовместимость полученных материалов. Полученные данные представляют интерес для создания новых высокоэффективных остеопластических материалов для регенерации и наращивания костной ткани. Оценка биосовместимости, полученных материалов in vitro подтверждает потенциальную биосовместимость разработанного матрикса. Таким образом, реминерализация высокоочищенных деминерализованных костных матриксов кальций фосфатными соединениями заданного состава может позволить значительно повысить их остеостимулирующую способность.

 

Публикации

1. Смирнова П.В., Смирнов И.В., Тетерина А.Ю., Минайчев В.В., Фадеева И.С., Комлев В.С. Разработка минерал-полимерных материалов, предназначенных для восстановления и регенерации утраченных костных тканей ГЕНЫ И КЛЕТКИ, Т.17, № 3, 2022, С. 216 (год публикации - 2022)

2. Фадеева И.С., Тетерина А.Ю., Минайчев В.В., Сенотов А.С., Смирнов И.В., Фадеев Р.С., Смирнова П.В., Менухов В.О., Ломовская Я.В., Акатов В.С., Баринов С.М., Комлев В.С. Biomimetic Remineralized Three-Dimensional Collagen Bone Matrices with an Enhanced Osteostimulating Effect Biomimetics, Т. 8., №. 1., С. 91. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/biomimetics8010091

3. Смирнова П.В. Разработка композиционных материалов на основе деминерализованного костного матрикса с кальций фосфатным покрытием XIX Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов«Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 15-18 ноября 2011г. / Сборник материалов, XIX (год публикации - 2023)

4. Смирнова П.В., Смирнов И.В., Тетерина А.Ю., Баринов С.М., Комлев В.С. Получение покрытий дикальций фосфат дигидрата и октакальциевого фосфата на деминерализованном костном коллагене Инновационные материалы и технологии : материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых., С. 298 - 300 (год публикации - 2023)

5. Смирнова П.В., Смирнов И.В., Тетерина А.Ю., Комлев В.С. Композиционные материалы на основе высокоочищенного костного матрикса с кальцийфосфатным покрытием Сборник тезисов докладов XX Молодежной научной конференции ИХС РАН, посвященной 135-летию со дня рождения академика И.В. Гребенщикова (1887-1953)., С. 112-113 (год публикации - 2022)