Регенерация зубной ткани за счет индуцированной эпитаксиальной биомиметической минерализации

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 21-75-10005

НазваниеРегенерация зубной ткани за счет индуцированной эпитаксиальной биомиметической минерализации

Руководитель Голощапов Дмитрий Леонидович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" , Воронежская обл

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 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-405 - Регенеративная медицина

Ключевые слова регенерация эмали, биомиметический апатитный слой, биоинспирированные материалы для стоматологии, нанокристаллический карбонат-замещенный гидроксиапатит кальция, кальций-фосфатные кластеры, молекулярная структура биоинтерфейса

Код ГРНТИ76.29.55

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Регенерация зубной эмали, самой твердой биологической ткани в организме человека и животных, остается серьезной нерешенной проблемой, поскольку сложную иерархическую структуру природной эмали невероятно сложно воспроизвести в лаборатории в подходящих для медицинских целей масштабах. Несмотря на огромные усилия, предпринимаемые для воссоздания эмали зуба человека с использованием самых разных биомедицинских стратегий, таких как непосредственная минерализация из раствора, протеин/пептидное индуцирование минерализации, минерализация под воздействием гидрогеля и сборка с помощью прекурсоров, до сих пор не было получено удовлетворительных способов восстановления твердой зубной ткани для клинического применения. В нашем проекте мы предлагаем новый подход к регенерации зубной эмали, который может быть реализован за счет контролируемого индуцированного эпитаксиального кристаллического роста биомиметического апатитного слоя, воспроизводящего свойства природной твердой ткани зуба человека. Предлагаемый биомиметический рост основан на фазовом превращении, происходящем в переходном интерфейсном аморфно-кристаллическом слое на четко сформированной границе эмали (биотемплейте). В этой методике массив наноразмерных кальций-фосфатных кластеров, стабилизированных жидким органическим прекурсором, выступит в качестве точек роста нанокристаллов гидроксиапатита на биотемплейте, а полученные из биогенного источника кальция (яичной скорлупы) нанопризмы-стержни карбонат-замещенного гидроксиапатита, исполнят роль строительных блоков для ускорения процессов роста биомиметическом слоя и организации в нем иерархического подобия. При этом подобранный набор полярных аминокислот обеспечит заданную морфологию кристаллов гидроксиапатита, а также будет способствовать образованию функциональной связи между биомиметическим слоем и нативным зубным матриксом эмали. Предварительные результаты исследований продемонстрировали уникальную перспективу предлагаемого нами подхода: восстановление природной твердой ткани зуба может быть вполне устойчивым и долговечным, а предлагаемый процесс биоминерализации можно разрабатывать в деталях в качестве эффективного метода лечения эрозии зубной эмали в клинической практике. Научная новизна проекта заключается в том, что в нем впервые будет использована биомиметическая тактика для точного дублирования/копирования иерархической и достаточно сложной органо-минеральной структуры зубной эмали. Впервые будут всесторонне изучены закономерности индуцированного эпитаксиального кристаллического роста, а также физико-химические, морфологические, оптические и биомеханические свойства созданного биомиметического апатитного слоя на молекулярном уровне,. В результате на основе данных прецизионных и комплексных структурно-спектроскопических исследований будет получена совокупность данных о типе и характере органоминерального взаимодействия на границе биомиметическая система/природная твердая ткань зуба, а также установлены взаимосвязи между наблюдаемым взаимодействием и фундаментальными свойствами биомиметического слоя В дальнейшем результаты работ по проекту могут быть распространены на общую стратегию конструирования биоинспирированных материалов с высокой структурной сложностью, открывая новые направления развития BioHiTech мирового класса в медицине. Решение поставленных в проекте задач будет выполнено в тесном сотрудничестве с нашими международными партнерами из научных центров США и Австралии, которые предоставляют нашей исследовательской группе эксклюзивный доступ к своему научно-аналитическому оборудованию, в том числе к революционной технологии оптической фототермической инфракрасной спектроскопии (O-PTIR) с наноразмерным пространственным разрешением и системой визуализации данных. Задачи проекта безусловно являются масштабными, междисциплинарными и социально-важными, предлагаемые в заявляемом Проекте подходы по своей новизне и перспективности соответствуют мировому уровню и тенденциям в области фундаментальной медицины. Запланированные результаты позволят внести весомый вклад в решение основной проблемы данной области науки, имеющей не только фундаментальный, но и прикладной характер и находящиеся на стыке фундаментальной медицины, биоматериаловедения, физики и химии конденсированного состояния. Результаты проекта имеют большой инновационный потенциал в сегменте восстановительной стоматологии, являются патентоспособными. В результате выполнения Проекта будут подготовлены и опубликованы не менее 10 статей в журналах мирового уровня, в том числе 5 из перечня журналов входящих в первый и второй квартиль Q1/Q2, а также направлены заявки на получение патентов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Голощапов Д.Л., Буйлов Н.С., Емельянова А.А., Ипполитов И.Ю., Ипполитов Ю.А., Кашкаров В.М., Худяков Ю.Ю., Никитков К.А. и Середин П.В. Raman and XANES Spectroscopic Study of the Influence of Coordination Atomic and Molecular Environments in Biomimetic Composite Materials Integrated with Dental Tissue Nanomaterials, 1(11), 3099 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11113099

2. Дмитрий Голощапов, Владимир Кашкаров, Кирилл Никитков, Павел Середин Investigation of the effect of nanocrystalline calcium carbonate-substituted hydroxyapatite and L-lysine and L-arginine surface interactions on the molecular properties of dental biomimetic composites Biomimetics, 6, no. 4: 70 (год публикации - 2021)
10.3390/biomimetics6040070

3. Павел Середин, Дмитрий Голощапов, Никита Буйлов, Владимир Кашкаров XANES investigation of the influence of a coordinating atomic environment in biomimetic composite materials Results in Engineering, Volume 13, March 2022, 100337 (год публикации - 2022)
10.1016/j.rineng.2022.100337

4. Середин П.В., Голощапов Д.Л., Кашкаров В.М., Емельянова А.А., Буйлов Н.С., Барков К.А., Ипполитов Ю.А., Хмелевская Т.А., Махди Иман, Махди Манал, Пруцкий Татьяна Biomimetic Mineralization of Tooth Enamel Using Nanocrystalline Hydroxyapatite under Various Dental Surface Pretreatment Conditions Biomimetics, Том 7, Выпуск 3September 2022 Номер статьи 111 (год публикации - 2022)
10.3390/biomimetics7030111

5. Середин П.В,, Голощапов Д.Л., Емельянова А.А., Буйлов Н.С., Кашкаров В.М., Лукин А.Н., Ипполитов Ю.А., Хмелевская Т.А., Махди Иман, Махди Манал Engineering of biomimetic mineralized layer formed on the surface of natural dental enamel Results in Engineering, Том 15 September 2022 Номер статьи 100583 (год публикации - 2022)
10.1016/j.rineng.2022.100583

6. Середин П.В., Голощапов Д.Л., Буйлов Н.С., Кашкаров В.М., Емельянова А.А., Еремеев К.А., Ипполитов Ю.А. Compositional Analysis of the Dental Biomimetic Hybrid Nanomaterials Based on Bioinspired Nonstoichiometric Hydroxyapatite with Small Deviations in the Carbonate Incorporation Nanomaterials, Том 12, Выпуск 24, December 2022 Номер статьи 4453 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12244453

7. Середин П.В., Голощапов Д.Л., Емельянова А.А., Еремеев К.А., Пешков Я.А., Шихалиев Х.С., Потапов А.Ю., Ипполитов Ю.А., Кашкаров В.М., Нестеров Д.Н., Шапиро К.В., Фрейтас Рауль О., Махди Иман. А. Rapid Deposition of the Biomimetic Hydroxyapatite-Polydopamine-Amino Acid Composite Layers onto the Natural Enamel ACS Omega, 9, 15, 17012–17027 (год публикации - 2024)
10.1021/acsomega.3c08491

Публикации