Исследование способов улучшения пьезоэлектрических свойств биоматериалов на основе полиоксиалканоатов для контролируемого воздействия на живые клетки и ткани

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 проекта 20-64-47008

НазваниеИсследование способов улучшения пьезоэлектрических свойств биоматериалов на основе полиоксиалканоатов для контролируемого воздействия на живые клетки и ткани

Руководитель Бонарцев Антон Павлович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №47 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова полиоксиалканоаты, поли-3-оксибутират, пьезоэлектрический отклик, d33 коэффициент, пьезосиловая микроскопия, Azotobacter, биосинтез, кристалличность, биодеградация, пробиотические бактерии, мезенхимальные стволовые клетки, пролиферация, кондуит, электроформование, периферический нерв, регенерация

Код ГРНТИ34.57.00; 34.17.00; 34.19.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Некоторые полимеры медицинского назначения обладают пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способны генерировать электрическое поле в ответ на механическую деформацию материала. Пьезоэлектрическими свойствами обладают и полиоксиалканоаты (ПОА), биоразлагаемые и биосовместимые полимеры, широко используемые для изготовления различных биодеградируемых медицинских изделий, например, шовных нитей, пластин и винтов для ортопедии, эндопротезов для колопроктологии и герниопластики и других изделий. Известно также, что пьезоэлектрический эффект играет значительную роль в процессе регенерации живых тканей, например, костной ткани. Однако, механизмы влияния пьезоэлектрического эффекта тканей на их регенерацию остаются недостаточно изученными. Кроме того, исследование влияния пьезоэлектрического эффекта на клетки и ткани приобретает особую актуальность в связи с бурным развитием биоинженерных направлений, связанных с интеграцией электронных устройств с живыми тканями, прежде всего, с нервной. Совершенно неизученным является и вопрос роли электромагнитных эффектов, которые способны проявлять многие бактерии, для жизнедеятельности бактерий микробиоты и при их взаимодействии с организмом-хозяином. Тогда как многие бактерии способны к биосинтезу природных ПОА, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, и наночастиц магнетита, обладающих магнитными свойствами. В основном в медицине используются химически синтезируемые ПОА, но у них имеется природный предшественник - бактериальный поли-3-оксибутират (ПОБ), который также является пьезоэлектриком. ПОБ и его сополимеры получают биотехнологическим путем, который позволяет задавать и контролировать в процессе биосинтеза физико-химические свойства биополимера в узких пределах, а также достичь высокой степени их чистоты для биомедицинского применения. Однако, относительно низкий пьезоэлектрический отклик ПОБ сильно ограничивает применимость этого полимера как для изготовления изделий, в которых этот эффект используется для терапевтических целей, так и для создания устройств, предназначенных для изучения влияния пьезоэлектрического эффекта на клетки и ткани. Для увеличения пьезоэлектрического отклика разработаны композиты на основе органических полимеров, например, ПОБ и полианилина, композиты с пьезоэлектрической керамикой - цирконатом-титанатом свинца. Но у всех этих композитов есть серьезные недостатки, связанные, в первую очередь, с тем, что они являются небиодеградируемыми и даже токсичными (особенно в случае наличия свинца), что может оказывать существенное влияние на механизмы регенерации тканей или поведения клеток. Это обуславливает поиск новых биосовместимых и биодеградируемых материалов с контролируемым в широком диапазоне пьезооткликом, в том числе в случае наличия магнитовосприимчивой компоненты с использованием внешнего магнитного поля. Целью данного проекта является комплексное исследование пьезоэлектрических свойств ПОА и создание на их основе композитных биоматериалов с улучшенными пьезоэлектрическими свойствами для исследования контролируемого воздействия пьезоэффекта на рост бактерий и клеток млекопитающих и регенерацию нервной и костной тканей. Для того, чтобы выяснить природную роль пьезоэлектрических свойств полиоксиалканоатов у бактерий, исследовать их способность влиять на рост клеток и регенерацию тканей, разобраться во взаимосвязи пьезоэлектрических и других их свойств полимеров (структура, молекулярный состав, физико-механические свойства), исследовать влияние биодеградации полиоксиалканоатов на пьезоэлектрические свойства, получить композиты полимеров с увеличенными пьезоэлектрическими константами за счет использования магнитных нанонаполнителей, исследовать влияние внешнего магнитного поля на пьезоотклик полученных композитов ПОА, разработать изделие, способное стимулировать регенерацию тканей при помощи изменения поверхностного заряда (пьезоэлектрического эффекта), т.е. для решения фундаментальных и прикладных задач, обладающих актуальностью и новизной в области исследования пьезоэлектрических свойств, требуется реализация комплексного междисциплинарного проекта. Такой междисциплинарный проект может быть проведен только при объединении научно-технических заделов и компетенций, а также использовании уже полученных первичных совместных результатов двух исследовательских групп – группы, специализирующейся в области биологии и биоинжененерии с кафедры биоинжененерии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, обладающей опытом биосинтеза ПОА с различными свойствами, исследования их биодеградации, исследования культивирования клеток на этих биополимерах и создания различных изделий на их основе, в т.ч. скэффолдов для тканевой инженерии, исследования функционирования полимерных изделий на моделях заболеваний и дефектов тканей на лабораторных животных; и из Томского политехнического университета, обладающего значительным опытом получения и исследованием скэффолдов на основе различных пьезополимерных материалов и пленок (например PVDF, PVDF-TrFE и т.д.), в том числе композитных наноструктурированных с улучшенным пьезооткликом, а также опытом выполнения научных исследований пьезоэлектрических свойств различных материалов, пленок и покрытий с использованием различных методик и подходов, включая пьезосиловую микроскопию. Выполнение этого междисциплинарного проекта будет осуществляться на различных уровнях: молекулярном (структура и свойства полимеров), надмолекулярном (нано- и микроструктура полимерных изделий), клеточном (исследование роста бактерий и клеток млекопитающих in vitro) и тканевом (исследование регенерации тканей in vivo). В этом проекте также будут сочетаться фундаментальные исследовательские и инженерные аспекты: для проведения запланированных фундаментальных биологических исследований необходима разработка установок для изучения влияния пьезоэлектрического эффекта на рост клеток in vitro и регенерацию тканей in vivo, а также полимерных изделий биомедицинского назначения – скэффолда для восстановления костной ткани и кондуита для регенерации периферического нерва, изготовленные при помощи технологии электроспиннинга. Для исследования природной роли пьезоэлектрических свойств ПОА будут изучены пьезоэлектрические свойства биомассы штамма-продуцента ПОБ и исследовано влияние пьезоэлектрического эффекта на рост бактерий микробиоты кишечника на пленках из ПОБ и его сополимеров. Для исследования взаимосвязи пьезоэлектрических свойств ПОА с его надмолекулярной структурой и другими физико-химическими свойствами будет проведен контролируемый биосинтез ПОБ и его сополимеров и получены серии экспериментальных образцов полимеров с заданными физико-химическими свойствами, что ранее практически не проводилось для таких исследований. В ходе комплексного исследования физико-химических свойств и надмолекулярной структуры полученных ПОА будет наработана обширная база экспериментальных данных, которая позволит выявить закономерности изменения величины пьезоотклика ПОА от других основных параметров, таких как физико-химические свойства: кристалличность, смачиваемость, модуль упругости и др. Будет проведено комплексное исследование биодеградации образцов полимеров и композитов на их основе в различных условиях для выяснения закономерностей изменения пьезоэлектрических свойств полимеров в процессе их биодеградации. Для улучшения пьезоэлектрических свойств биоматериалов на основе ПОА для контролируемого воздействия на живые клетки и ткани будут получены их композиты с магнитными наполнителями. В качестве магнитного наполнителя будут использованы модифицированные магнетитом двумерные нанопластинки оксида графена (GO-Fe3O4), которые обладают непроводящими диэлектрическими свойствами, а также модифицированные магнетитом нанопластинки восстановленного оксида графена, который является проводящим материалом (rGO-Fe3O4). В ходе реализации проекта планируется исследовать и установить физические механизмы влияния магнитного наполнителя и его концентрации, которые позволяют улучшить пьезоэлектрический отклик в широком диапазоне в зависимости от степени кристалличности полимерной фазы, количества аморфной фазы, модуля Юнга и диэлектрической проницаемости, что позволит получить биоматериалы с контролируемыми пьезоэлектрическими свойствами. Таким образом, разработка в рамках данного проекта перечисленных выше материалов обусловлено необходимостью улучшения физико-механических и пьезоэлектрических свойств композитов на основе ПОА. В случае GO-Fe3O4 или rGO-Fe3O4 в пьезополимерной матрице ПОА, использование внешнего магнитного поля позволит прецизионно изменять и контролировать значение поверхностного заряда и одновременно оценивать реакцию клеток и тканей. Магнитное поле проникает в клетки и ткани, что позволит в режиме реального времени контролировать механизмы электростатического взаимодействия между биологическими тканями и имплантатом. Будут получены результаты корреляции теоретических и экспериментальных исследований о влиянии внешних магнитных полей на пьезоотклик композитных пленок, а также на величину внутренних микронапряжений, определяющих механизмы поляризации и величину пьезоотклика и генерируемого поверхностного потенциала. Будут получены результаты моделирования с использованием метода конечных элементов (Comsol®) о влиянии химического, фазового и молекулярного состава композитов на электрофизические характеристики (пьезопотенциал) и физико-механические (модуль Юнга, прочность на разрыв). Таким образом, в рамках реализации проекта будут разработаны научные основы физических механизмов синтеза новых функциональных композитных пьезоматериалов, пленок и скэффолдов на их основе, в том числе полученных с использованием технологии электроформования. Полученные материалы на основе ПОА с улучшенными физико-механическими и пьезоэлектрическими свойствами будут использованы в качестве экспериментального инструмента для исследования контролируемого влияния пьезоэффекта на клетки млекопитающих различных типов: фибробласты, опухолевые, мезенхимальные стволовые и нейроноподобные клетки, чтобы выявить наиболее широкий спектр биологического ответа. Разработка экспериментальных моделей повреждения тканей, наиболее чувствительных к влиянию пьезоэлектрического эффекта биоматериалов: нервной и костной, позволит выяснить, каким образом пьезоэлектрический эффект ПОА влияет на регенерацию этих тканей. Для этого будут использованы разработанные в ходе проекта изделия, имеющие перспективы широкого клинического использования: скэффолд, полученный методом электроспиннинга и кондуит на его основе. Для улучшения взаимодействия научных групп, обсуждения полученных данных, обучения методикам, разработанным и применяемым в МГУ и ТПУ, и использования высокотехнологичного оборудования в обоих университетах, помимо написания совместных научных публикаций в высокорейтинговых научных изданиях, нами запланированы командировки сотрудников, аспирантов и студентов ТПУ в МГУ, и, соответственно, МГУ в ТПУ, проведение совместных семинаров и практических занятий, совместное участие в конференциях, разработка учебных программ, совместное взаимодействие со СМИ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Акулина Е.А., Демьянова И.В., Жаркова И.И., Воинова В.В., Жуйков В.А., Хайдапова Д.Д., Чеснокова Д.В., Меньших К.А., Дудун А.А., Махина Т.К., Бонарцева Г.А., Волков А.В., Асфаров Т.Ф., Иванов С.Ю., Шайтан К.В., Бонарцев А.П. Рост мезенхимальных стволовых клеток на матриксах на основе поли-3-оксибутирата, загруженных симвастатином Бюллетень экспериментальной биологии и медицины (год публикации - 2020)

2. Жуйков В.А., Акулина Е.А., Чеснокова Д.В., Веньхао Ю., Махина Т.К., Демьянова И.В., Жуйкова Ю.В., Воинова В.В., Белишев Н.В., Сурменев Р.А., Сурменева М.А., Бонарцева Г.А., Шайтан К.В., Бонарцев А.П. The Growth of 3T3 Fibroblasts on PHB, PLA and PHB/PLA Blend Films at Different Stages of Their Biodegradation In Vitro Polymers (Basel), T.13, P. 108 (год публикации - 2021)
10.3390/polym13010108

3. Дудун А.А., Акулина Е.А., Жуйков В.А., Махина Т.К., Воинова В.В., Белишев Н.В., Хайдапова Д.Д., Шайтан К.В., Бонарцева Г.А., Бонарцев А.П. Competitive biosynthesis of bacterial alginate using Azotobacter vinelandii 12 for tissue engineering applications Polymers, Т. 14, №1, С. 131 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14010131

4. Бонарцев А.П., Лей Б., Холина В.С., Меньших К.А., Святославов Д.С., Самойлова С.И., Синельников М., Воинова В.В., Кирпичников М.П., Шайтан К.В., Решетов И.В. Models of head and neck squamous cell carcinoma using bioengineering approaches Critical Reviews in Oncology/Hematology, Т. 175, С. 103724 (год публикации - 2022)
10.1016/j.critrevonc.2022.103724

5. Бонарцев А.П., Воинова В.В., Волков А.В., Мураев А.А., Венедиктов А.А., Долгалев А.А., Диденко Н.Н., Бойко Е.М. Скаффолды на основе поли-3-оксибутирата и его сополимеров для инженерии костной ткани (обзор) Современные технологии в медицине, Т. 14, № 5, C. 78-91 (год публикации - 2022)
10.17691/stm2022.14.5.07

6. Травникова Д., Чеснокова Д., Жаркова И., Бонарцева Г., Махина Т., Мухортова Ю., Прядко А., Чернозем Р., Сурменева М., Сурменев Р., Бонарцев А. Biocompatibility of Poly(3-Hydroxybutyrate)/Nano-Magnetite Composite Material for Bone Tissue Engineering Applications Springer Proceedings in Materials, Т. 18, С. 445-452 (год публикации - 2022)
10.1007/978-981-19-5395-8_33

7. Дудун А.А., Жуйков В.А., Махина Т.К., Акулина Е.А., Воинова В.В., Бонарцев А.П., Бонарцева Г.А. Biosynthesis of PHBs by the Method of Full-Factorial Design for Obtaining PHB/Magnetite Composites Springer Proceedings in Materials, Т. 18, С. 57-69 (год публикации - 2022)
10.1007/978-981-19-5395-8_5

8. Демьянова И.В., Акулина Е.А., Жаркова И.И., Воинова В.В., Чеснокова Д.В.,. Хоссаин А.М, Махина Т.К., Бонарцева Г.А., Куликовская В.И., Николайчук В.В., Мухортова Ю.Р., Прядко А.С., Сурменева М.А., Сурменев Р.А., Шайтан К.В., Бонарцев А.П. Рост мезенхимальных стволовых клеток на ориентированных микроструктурированных пленках и электроформованных скаффолдах Вестник Московского университета. Серия 16. Биология, Т. 78. № 3S. C. 33–39 (год публикации - 2023)
10.55959/MSU0137-0952-16-78-3S-6

9. Жаркова И.И., Волков А.В., Мураев А.А., Махина Т.К., Воинова В.В., Рябова В.М., Гажва Ю.В., Каширина А.С., Кашина А.В., Бонарцева Г.А., Шайтан К.В., Кирпичников М.П., Иванов С.Ю., Бонарцев А.П. Poly(3-hydroxybutyrate) 3D-scaffold-conduit for guided tissue regeneration MDPI, V. 24. N. 8. P. 6965 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24086965

10. Дудун А.А., Чеснокова Д.В., Воинова В.В., Бонарцев А.П., Бонарцева Г.А. Changes in the gut microbiota composition during implantation of composite scaffolds based on poly(3-hydroxybutyrate) and alginate on the large-Intestine wall MDPI, V. 15. N. 17. P. 3649 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15173649

11. Воинова В.В., Жаркова И.И., Бонарцев А.П. Электро- и магнитоактивные материалы для биоинженерии. Учебно-методическое пособие ООО Издательство «Мир науки» (год публикации - 2023)

12. Воинова В.В., Жуйков В.А., Жуйкова Ю.В., Сорокина А.А., Махина Т.К., Бонарцева Г.А., Шайтан К.В., Прядко А.С., Чернозем Р.В., Мухортова Ю.Р., Шлапакова Л.Е., Сурменев Р.А., Сурменева М.А., Бонарцев А.П. Adhesion of E. coli and L. fermentum on films and electrospun fibrous scaffolds from composites of poly(3-hydroxybutyrate) with magnetic nanoparticles in a low-frequency magnetic field MDPI (год публикации - 2023)

Публикации