Искусственные композитные полимерные скаффолды сформированные методом многоканального электроспининга с модифицированной поверхностью для приложений сердечно-сосудистой 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 21-73-20262

НазваниеИскусственные композитные полимерные скаффолды сформированные методом многоканального электроспининга с модифицированной поверхностью для приложений сердечно-сосудистой хирургии.

Руководитель Больбасов Евгений Николаевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Скаффолды, искусственные сосуды, модифицирование, электроспинниг, пористость, поверхность, плазма,биосовместимость.

Код ГРНТИ34.03.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Шунтирующие операции остаются «золотым стандартом» лечения пациентов с тяжелым поражением артериального русла. Исторически для реконструкции артериального русла используют деццеллюляризированные сосуды, полученные как у самого пациента, так и у доноров или животных. Однако данный подход сталкивается со спектром существенных недостатков, которые значительно сокращают сферу и эффективность его применения. К ним можно отнести следующие: ограниченное количество доступного биологического материала, проблема тканевой совместимости, проблемы консервации и хранения трансплантируемого материала, типирование донорских материалов по системе гистосовместимости HLA, проблема отсутствия в России специализированной сети банков тканей и отлаженной системы логистики, проблема географической протяженности России и, как следствие, проблема оперативной доставки донорского материала, низкая доступность процедуры трансплантации, связанная со значительными финансовыми затратами, что существенно сокращает количество пациентов получающих эффективную высокотехнологичную медицинскую помощь. Современной альтернативой трансплантации является тканевая инженерия (ТИ), которая базируется на свойстве стволовых клеток (СК), открытых в начале 19 века русским гистологом А.А. Максимовым, дифференцироваться в любой клеточный фенотип. ТИ любой ткани возможна при наличии, по крайней мере, двух исходных компонентов – стволовых клеток и биосовместимого трехмерного каркаса (скаффолда), в пределах которого протекают процессы гисто- и морфогенеза. Основной проблемой, решаемой при создании скаффолда, является придание ему свойств трехмерных аутотрансплантатов. В частности, скаффолды должны обладать: высокой взаимосвязанной пористостью, обеспечивающей ангиогенез, достаточной механической прочностью, структурой, сходной со структурой восстанавливаемых тканей, быть не токсичными, не вызывать отрицательных тканевых реакций, не вызывать аллергии. Учитывая сложную пространственную организацию нативного сосуда, определяющую уникальную совокупность его функциональных характеристик, для создания искусственного скаффолда требуется точное копирование нативной структуры сосуда. Принципиальное решение этого сложного вопроса видится в использовании для создания скаффолда метода многоканального электроспиннига с общим сборочным коллектором, где каждое формующие сопло обладает собственными степенями свободы как по параметрам расхода прядильного раствора, так и по электрическим параметрам. В современной литературе процесс многоканального электроспиннига растворов полимерных смесей детально не описан, существует лишь несколько новых работ, показывающих потенциальные возможности этого метода. Таким образом, создание искусственного скаффолда методом многоканального электроспиннига из растворов полимерных смесей является новой научной проблемой. Пористые скаффолды с хорошо взаимосвязанными порами хорошо подходят для того, чтобы разрешить инфильтрацию клеток и врастание тканей. Однако, такие характеристики их поверхности, как гидрофильность/гидрофобность, вытекающие из химического состава, могут быть не удовлетворительными для индуцирования селективной адгезии, миграции и пролиферации клеток. В большинстве случаев для образования необходимой ткани, требуются специфические клеточные взаимодействия. Таким образом, имплантаты с модифицированной поверхностью призваны усиливать адгезию и рост клеток, тем самым облегчая процесс регенерации. Одним из наиболее перспективных способов модификации поверхности является плазменная обработка скаффолда в плазме магнетронного разряда. Применение этого метода позволяет включать в состав плазмы элементы распыляемой мишени, что открывает широкие возможности для изменения химического состава поверхности. В научно-технической литературе на сегодняшний день практически отсутствует информация по получению тонких покрытий методом магнетронного распыления на поверхности трехмерных пористых структур, сформированных методом электроспинига из биорезорбируемых полимерных материалов. Данный факт ограничивает исследователей в выборе метода модификации скаффолдов, а также является ограничивающим “барьером” в развитии метода магнетронного распыления, как универсального способа модификации различных типов поверхностей. В связи с этим, дополнительного исследования потребует оценка влияния типа распыляемой мишени, атмосферы в камере и параметров разряда на адгезию клеток (в первую очередь стволовых) и их способность дифференцироваться в различных направлениях, формировать функциональные слои сосудистой стенки (эндотелиальный, гладкомышечный, адвентиция, внеклеточный матрикс), что является новой научной проблемой. Таким образом, разработка искусственных скаффолдов методом многоканального электроспиннига и последующая модификация их поверхности в плазме магнетронного разряда является актуальной многоплановой научно-технической задачей. Ее решение будет способствовать созданию технической базы для производства современных имплантатов, увеличению объемов высокотехнологичной медицинской помощи. Это позволит сформировать эффективный научный коллектив, усилия которого направлены на разработку, производство и внедрение медицинских изделий на основе технологий мирового уровня.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Юрьев Ю.Н., Горенинский С.И., Рунц А.А., Просецкая Е.А., Плотников Е.А., Кудрявцева Ю.А.. Шишкова Д.К., Больбасов Е.Н. DLC-Coated Ferroelectric Membranes as Vascular Patches: Physico-Chemical Properties and Biocompatibility Membranes, 11,9,690 (год публикации - 2021)
10.3390/membranes11090690

2. Даниленко Н.В., Больбасов Е.Н.,Хлебников А.И., Щепеткин И.А., Твердохлебов С.И., Квин М. Electrospun polycaprolactone scaffolds loaded with a 1,4-naphthoquinone derivative for anticancer therapy Materials Letters, Volume 327, 133062 (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2022.133062

3. Демина Т.С., Больбасов Е.Н., Пешкова М.А., Ефремов Ю.М., Бикмулина П.Ю., Бирдебекова А.В., Попырина Т.Н., Кошелева Н.ВТвердохлебов., С.И., Тимашев П.С., Акопова Т.А. Electrospinning vs. Electro-Assisted Solution Blow Spinning for Fabrication of Fibrous Scaffolds for Tissue Engineering MDPI, 14, 5254 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14235254

4. Горенинский С.И., Юрьев Ю.Н., Рунц А.А., Просецкая Е.А., Сверидова Е.В., Плотников Е.В., Станкевич К.С., Больбасов Е.Н. Pulsed Vacuum Arc Deposition of Nitrogen-Doped Diamond-like Coatings for Long-Term Hydrophilicity of Electrospun Poly(ε-caprolactone) Scaffolds Membranes, 12(11), 1080 (год публикации - 2022)
10.3390/membranes12111080

5. Горенинский С.И., Волохова А.А., Фролова А.А., Булдаков М.А., Чердынцева Н.В., Чойнзонов Е.Л., Сударев Е.А., Филимонов В.Д., Твердохлебов С.И., Больбасов Е.Н. Prolonged and Controllable Release of Doxorubicin Hydrochloride from the Composite Electrospun Poly(ε-Caprolactone)/Polyvinylpyrrolidone Scaffolds Journal of Pharmaceutical Sciences, Volume 112, Issue 11, Pages 2752-2755 (год публикации - 2023)
10.1016/j.xphs.2023.08.025

6. Горенинский С.И., Юрьев Ю.Н., Просецкая Е.А., Чан Т.Х., Свиридова Е.В., Мишанин А.В., Головкин А.С., Больбасов Е.Н. Nitrogen-Doped Diamond-Like Coatings for Long-Term Enhanced Cell Adhesion on Electrospun Poly (Ε-Caprolactone) Scaffolds Surfaces Research Paper Series, 1 (год публикации - 2023)
10.2139/ssrn.4560694

7. Чернова У.В., Варакута Е.Ю., Коняева А.Д., Лейман А.Е., Садгулаева С.А., Плотников Е.В., Мельник Е.Ю., Хоанг Т.Т., Кудрявцева В.Л., Рудковский С., Бузник В.М., Больбасов Е.Н. Piezoelectric and Dielectric Electrospun Fluoropolymer Membranes for Oral Mucosa Regeneration: A Comparative Study ACS Applied Materials & Interfaces (год публикации - 2024)
10.1021/acsami.4c01867

8. Горенинский С.И., Юрьев Ю.Н., Рунц А.А., Просецкая Е.А., Мельник Е.Ю., Хоанг Т.Т., Сверидова Е.А., Головкин А.С., Мишанин А.И., Больбасов Е.Н. Nitrogen-doped diamond-like coatings for long-term enhanced cell adhesion on electrospun poly(ε-caprolactone) scaffold surfaces Polymers (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Объединение в одном проекте компетенций сотрудников Центра аддитивных технологий, Научно-образовательного центра им. Б.П. Вейнберга и Исследовательской школы Химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета позволило изучить и понять как технологические факторы процесса формирования стенки искусственного кровеносного сосуда влияют на ее структуру и морфологию, что позволило оптимизировать технологические параметры формирования искусственного сосуда. Совместно с коллегами из Montana State University (США) исследовано влияния различных производных 1,4 нафтохинона, перспективного агента препятствующему тромбозу искусственного сосуда, на жизнеспособность и пролиферативную активность фибробластов линии 3T3-L1. На основание проведенных исследований выбраны производные 1,4 нафтохинонов содержащие -OSO2F группу которые могут быть использованы как антитромбозный агент включение которого в структуру искусственных кровеносных сосудов повышает антикоагуляционные свойства, не вызывая изменения в морфологии и механических свойствах сосудистой стенки. Продолжены исследования по модификации внешней стенки сосудистого графта для стимулирования процессов ее эндотелизации. Исследовано влияние времени экспозиции сосуда в плазме, возникающей при импульсном вакуумно-дуговом испарении графитового катода на структуру сосудистой стенки. Выбрано оптимальное время экспозиции сосуда в плазме, позволяющие сохранять морфологию и механические свойства сосудистой стенки при снижении значения показателя краевого угла смачивания водой. Совместно с коллегами из Сибирского государственного медицинского университета, Томского государственного университета и Queen Mary University of London (Англия) с использованием материалов, активно применяемых в сердечно-сосудистой хирургии впервые получены полупроницаемые полимерные мембраны для закрытия дефектов слизистой оболочки ротовой полости. Показано, что благодаря наличию пьезоэлектрических свойств, полупроницаемые полимерные мембраны, изготовленные методом электроформования из отечественного сополимера ВДФ-ТеФЭ способны эффективно заживлять дефекты слизистой оболочки ротовой полости без использования антибиотиков в своем составе, что открывает возможность замещения на отечественном рынке импортных материалов для стоматологии, производимых компанией Gore (США).

Публикации