Программируемые магнитоуправляемые актуаторы для малоинвазивной хирургии

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 21-73-10150

НазваниеПрограммируемые магнитоуправляемые актуаторы для малоинвазивной хирургии

Руководитель Виноградов Владимир Валентинович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №61 - Конкурс 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 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова актуаторы, магнитное поле, тромбоз, синтез

Код ГРНТИ31.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
С появлением лапароскопии методы вмешательства в организм человека все больше миниатюризируются, активно развиваются способы минимально инвазивной и неинвазивной хирургии. Несмотря на сложность развития таких подходов, требующих привлечения широкого круга специалистов, работающих в различных областях, ковидная эра отчетливо показала, что такие масштабные цели могут и должны достаточно оперативно решаться. Идея миниатюрных роботов, которые можно приводить в действие и локализовывать внутри человеческого тела для диагностики и лечения заболеваний приобретает все большую популярность. В этом направлении особую перспективу имеют роботы-актуаторы способные как доставлять лекарственные препараты, так и самостоятельно оказывать воздействие терапевтического характера, используя при этом наименее инвазивный метод управления – магнитное поле, за счет которого объекты достигают заданной точки и обеспечивается необходимый стимул для трансформации сигнала в механическое воздействие с целью решения задач прикладного медицинского характера. Успехи современной физики, химии и материаловедения позволяют осуществлять направленный дизайн таких роботов-актуаторов непосредственно под конкретную задачу, что в свою очередь увеличивает эффективность терапии, и позволяет сформировать единую универсальную платформу для широкого спектра биомедицинских задач. В данном проекте планируется не только впервые разработать оригинальные методы получения магнитных роботов-актуаторов на основе металлических и металлоксидных биосовместимых материалов конъюгированных с полимерами, но и применить их для решения медицинских задач в тех областях, где ранее такие структуры не использовались в виду своей сложности и комплексности: механически-ассистируемого лизиса фибриновых сгустков, механической тромбоэкстрации и элиминации биопленок с поверхности медицинских имплантатов. Ядром нашего проекта являются программируемые материалы на основе 1D, 2D и 3D структур с высоким магнитным откликом, состоящие из частиц Ni, FeCo и Fe3O4. Способность к программированию (контролируемому изменению формы актуатора под действием специального подобранного магнитного стимула) позволит заранее осуществлять дизайн гибридного композита под конкретную задачу терапевтической направленности. Теоретический анализ с помощью математического и мультифизического моделирования позволит не только предсказать оптимальные физические параметры композитных материалов и условия для их программирования, но и определить круг потенциальных применений подобных материалов, что позволит открыть новые горизонты малоинвазивной хирургии, имея в арсенале библиотеку мягких программируемых магнитных материалов и модель их поведения в биологических средах и взаимодействия с биологическими структурами. В ходе выполнения проекта будет предпринята попытка создания малоинвазивного робота-катетера на основе ферромагнитных наночастиц и полимера, способного к программированию под желаемую форму путем изменения организации магнитного материала внутри композита при наложении магнитных полей, что в свою очередь открывает возможность для захвата и экстракции тромбов из кровеносного русла. Вместе с тем, параллельно будет развиваться концепция микро-наноактуаторов, способных доставлять тромболитические агенты непосредственно к зоне окклюзии и механически вращаться в нужном направлении под действием переменного магнитного поля. Такой симбиоз магнитной доставки и механического воздействия актуаторов на фибриновую сеть тромба позволит существенно повысить эффективность одобренных фармацевтических препаратов, расширить терапевтическое окно тромболитиков и снизит вероятность возникновения побочных эффектов у пациентов. Вместе с тем, в данном проекте также планируется создать программируемый робот для элиминации бактериальных пленок на поверхностях медицинских имплантатов. Ежегодно устанавливаются десятки миллионов медицинских устройств, значительная часть которых поражается колониями бактерий, образующих биопленки, которые агрегируют и адгезируются на поверхности имплантата, становясь очагом инфекции и воспаления. Формирование биопленок является основной причиной замены импланта. В этой связи использование механических методов разрушения биополимерного каркаса бактериальных пленок является альтернативной стратегией элиминации, являясь видонеспецифичным, контролируемым и универсальным подходом. Применение миниатюрных магнитных роботов позволит таргетно очищать поверхность имплантов от бактериальных пленок. Междисциплинарность проекта подчеркивается характером выполняемых работ, предусматривающих не только синтетическую направленность, но и создание экспериментально апробированной математической модели поведения актуаторов в магнитном поле, исследованию их биосовместимости и цитотоксичности, а также in vitro и in vivo демонстрацией механо-ассистируемого тромболизиса, тромбоэкстракции и очищения имплантатов. Для этой цели создается молодой, междисциплинарный и амбициозный состав участников проекта. Реализация проекта планируется под патронажем Мариинской больницы г. Санкт-Петербурга, с целью дальнейшего трансфера технологий в практическое здравоохранение. По результатам исследования планируется опубликовать не менее 10 статей, преимущественно из списка Q1 (ACS Appl Mater Interf, J Mater Chem B, Chem Comm, Biomaterials, и т.д), а также минимум одну статью в журнале из списка Nature Index.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Александра Л. Предеина, Артур Ю. Прилепский, Вероника де Зеа Бермудез, Владимир В. Виноградов Bioinspired In Vitro Brain Vasculature Model for Nanomedicine Testing Based on Decellularized Spinach Leaves Nano Letters, Номер 21, Том 23, стр. 9853–9861 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.nanolett.1c01920

2. Анна В. Пожиткова, Даниил В. Кладько, Денис А. Винник, Сергей В. Таскаев и Владимир В. Виноградов Reprogrammable soft swimmers for minimally invasive thrombus extraction ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2022)
10.1021/acsami.2c04745

3. Елизавета Анастасова, Анастасия Беляева, Сергей Цымбал, Денис Винник, Владимир Виноградов Hierarchical Porous Magnetite Structures: From Nanoparticle Assembly to Monolithic Aerogels Journal of Colloid and Interface Science, Volume 615, June 2022, Pages 206-214 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jcis.2022.01.154

4. Никита Серов и Владимир Виноградов Artificial intelligence to bring nanomedicine to life Advanced Drug Delivery Reviews, Volume 184, May 2022, 114194 (год публикации - 2022)
10.1016/j.addr.2022.114194

5. Николай Широкий, Евгения Дин, Илья Петров, Юрий Серегин, Софья Сиротенко, Юлия Разливина, Никита Серов, Владимир Виноградов Quantitative Prediction of Inorganic Nanomaterial Cellular Toxicity via Machine Learning Small, 2207106 issue (год публикации - 2023)
10.1002/smll.202207106

6. Полина Бабурова, Кладко Даниил, Алина Локтева, Анна Пожиткова, Виктория Румянцева, Валерия Румянцева, Илья Панков, Сергей Таскаев, Владимир Виноградов Magnetic Soft Robot for Minimally Invasive Urethral Catheter Biofilm Eradication ACS Nano, 17, 21, 20925–20938 (год публикации - 2023)
10.1021/acsnano.2c10127

7. Кладко Даниил, Виноградов Владимир Magnetosurgery: Principles, design, and applications Smart Materials in Medicine, Volume 5, Issue 1, 2024, Pages 24-35 (год публикации - 2024)
10.1016/j.smaim.2023.06.008

Публикации