Осаждение макроциклических соединений на поверхность сплавов никелида титана для высвобождения инкапсулированных лекарств и ускоренной индукции биологических тканей

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 22-72-10037

НазваниеОсаждение макроциклических соединений на поверхность сплавов никелида титана для высвобождения инкапсулированных лекарств и ускоренной индукции биологических тканей

Руководитель Байгонакова Гульшарат Аманболдыновна, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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 02 - Физика и науки о космосе; 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые слова никелид титана, пористость, проницаемость, структура, поверхность, шероховатость, макроциклические соединения, цитосовместимость, инкапсуляция лекарственных средств, антибактериальные свойства, бамбусурил, кукурбитурил

Код ГРНТИ29.19.16

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время предпочтительными материалами для использования в костной пластике являются сплавы на основе никелида титана. Они имеют пористо-проницаемую структуру, подобную структуре костных тканей, длительно выдерживают физиологические нагрузки в организме и сохраняют каркасную функцию для врастания костной ткани. Несмотря на превосходные функциональные свойства данных сплавов, существует вероятность послеоперационных инфекционных осложнений, что не позволяет новообразованной костной ткани своевременно заполнять образовавшиеся пространства, увеличивает срок реабилитации пациентов. Чтобы свести к минимуму такие последствия необходимо использование биосовместимых материалов, способных одновременно выполнять функцию длительно функционирующего имплантата и остеозамещающего носителя, насыщенного лекарственными препаратами (ингибиторами воспаления, антибиотиками). В данном проекте будут разработаны научные основы создания высокопористых прочных материалов из никелида титана с использованием высокотемпературного реакционного синтеза порошков в инертной газовой среде в открытом реакторе. Для придания антибактериальной активности и обеспечения ускоренного остеогенеза, впервые разными методами на поверхность пористых материалов будут осаждены макроциклические супрамолекулярные соединения на основе органических биоактивных молекул. Будут получены и систематизированы новые данные о макроструктуре осажденных соединений, о процессах адгезии различных клеточных линий in vitro, о способности к насыщению и адресной доставки лекарственными средствами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шишелова А.А., Байгонакова Г.А., Марченко Е.С. Структура и свойства пористого никелида титана, полученного методом СВС в разных реакционных средах Быстрозакалённые материалы и покрытия, XIX Международная научно-техническая конференция, стр. 23-37. (год публикации - 2022)

2. Байгонакова Г.А., Лариков В.А., Марченко Е.С. Пористый никелид титана с антибактериальным легирующим компонентом Высокоэнергетические и специальные материалы: антитерроризм, безопасность и гражданское применение, 2022. С. 53-55. (год публикации - 2022)

3. Марченко Е.С., Байгонакова Г.А., Гарин А.С., Ясенчук Ю.Ф. Peculiarities of deformation and destruction of porous titanium nickelide alloys at stretching, compression and bending Non-ferrous Metals, No.2. рр. 73–77 (год публикации - 2022)
10.17580/nfm.2022.02.12

4. Козулин А.А., Ветрова А.В., Ясенчук Ю.Ф., Ковалёва М.А. Anisotropy of elastic properties of SHS-synthesized porous titanium nickelide Non-ferrous Metals, No. 2. рр. 53–59 (год публикации - 2022)
10.17580/nfm.2022.02.09

5. Марченко Е.С., Байгонакова Г.А., Лариков В.А., Моногенов А.Н. Influence of silver nanoparticles on the structure and mechanical properties of porous titanium nickelide alloys Non-ferrous Metals, No.2. рр. 78–84 (год публикации - 2022)
10.17580/nfm.2022.02.13

6. Гарин А.С., Марченко Е.С., Байгонакова Г.А. Влияние технологии порошковой металлургии на структуру и усталостную прочность пористого сплава на основе никелида титана Сборник материалов V международной конференции "Сплавы с памятью формы", с. 39 (год публикации - 2023)

7. Байгонакова Г.А., Марченко Е.С., Мамазакиров О., Волынский А.А. Porosity and phase composition effects on SHS-NiTi structure and mechanical properties Advanced Powder Technology, Vol. 35, is. 4. Art. Num.104395 (год публикации - 2024)
10.1016/j.apt.2024.104395

8. Лариков В.А., Байгонакова Г.А., Марченко Е.С., Жеронкина К.А. Study of the inelastic behaviour of structurally inhomogeneous porous titanium nickelide materials Springer Proceedings in Physics, 1067 SPPHY, страницы 158–164 (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-1872-6_23

9. Байгонакова Г.А., Марченко Е.С., Гордиенко И.И., Лариков В.А., Волынский А.А., Прокопчук А.О. Biocompatibility and antibacterial properties of NiTiAg porous alloys for bone implants ACS Omega (год публикации - 2024)

10. Марченко Е.С., Гордиенко И.И. , Козулин А.А. , Байгонакова Г.А., Борисов С.А., Гарин А.С., Черный С.П., Чойнзонов Е.Л., Кульбакин Д.Е. Study of the biocompatibility of porous 3D-TiNi implants in vivo The Siberian Journal of Clinical and Experimental Medicine, 39(1):184–193 (год публикации - 2024)
10.29001/2073-8552-2024-39-1-184-193

11. Байгонакова Г.А., Шишелова А.А., Гарин А.С. Механические свойства биосовместимых пористых никелид титановых сплавов с макроциклическими соединениями LXVII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», 328-329 (год публикации - 2024)

12. Мамазакиров О., Марченко Е.С.,Клопотов А.А., Ясенчук Ю.Ф., Устинов А.М. Особенности деформации пористого материала на основе никелида титана Фундаментальные основы механики, 10, стр. 72-76. (год публикации - 2022)
10.26160/2542-0127-2022-10-72-76

13. Марченко Е.С., Клопотов А.А., Мамазакиров О., Устинов А.М., Ясенчук Ю.Ф., Байгонакова Г.А. Исследование локализации деформации в пористом сплаве на основе никелида титана при их испытаниях методом «бразильского теста» метод корреляции цифровых изображений Сборник материалов V международной конференции "Сплавы с памятью формы", с. 61 (год публикации - 2023)

14. Гарин А.С., Клопотов А.А., Устинов А.М., Ясенчук Ю.Ф., Марченко Е.С., Байгонакова Г.А., Козулин А.А. Деформация пористого сплава на основе никелида титана при испытаниях методом «бразильского теста» Физическая мезомеханика. материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии, 20-21 (год публикации - 2024)

15. Чайковская Т.В., Марченко Е.С., Ветрова А.В. Расчетно-экспериментальные исследования прочностных свойств и долговечности имплантатов из никелида титана и костных тканей позвонков при замещении межпозвоночного диска сегмента шейного отдела позвоночника Вестник Томского государственного университета. Математика и механика (Vestnik Tomskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Matematika i Mekhanika), № 92. С. 169–185 (год публикации - 2024)
10.17223/19988621/92/14

16. Шишелова А.А., Байгонакова Г.А., Гарин А.С. Морфология и цитосовместимость пористых сплавов никелида титана с макроциклическими соединениями Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения, 243-245 (год публикации - 2024)

17. Чайковская Т.В., Марченко Е.С., Ветрова А.В., Байгонакова Г.А., Кульбакин Д.Е., Жеронкина К.А. Computer and experimental studies of the strength and durability of titanium nickelide prostheses and vertebral bone tissue in prosthetic intervertebral disk replacement in the cervical spine Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2025 (год публикации - 2025)
10.1080/15376494.2025.2460774

18. Ухов А.Э., Лариков В.А., Байгонакова Г.А., Марченко Е.С., Губанков А.А., Бакибаев А.А. Получение новых композиционных материалов на основе карбамидсодержащих макроциклических соединений и пористого никелида титана Вестник Томского государственного университета. Химия. , № 36. С. 152–168 (год публикации - 2024)
10.17223/24135542/36/11

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Макроциклические соединения способны селективно связывать различные гостевые молекулы, формируя стабильные комплексы. В последние годы особое внимание привлекает бамбус[6]урил, который обладает уникальной способностью инкапсулировать фармацевтические молекулы, что делает его перспективным для применения в качестве покрытий на биоматериалах, в частности, пористом никелиде титана (TiNi). Такое покрытие позволяет сочетать структурно-механическую надёжность и биофункциональность, что критически важно при создании функциональных имплантатов и других медицинских изделий. На текущем этапе проекта были проведены эксперименты по синтезу комплексных супрамолекулярных соединений на основе бамбус[6]урила (Bu[6]) и биологически активного вещества — бензокаина. Комплекс Bu[6] с бензокаином выполняет двойную функцию: снижает болевой синдром и воспаление в зоне имплантации, а также минимизирует риск бактериального заражения. Молекулы Bu[6] (молекула-хозяин) синтезированы по трёхстадийной схеме: получение 4,5-дигидроксиимидазолидинона-2 (DGI), получение 2,4-N-диметилгликолурила (DMGU), синтез бамбус[6]урила. Для формирования комплексов «хозяин-гость» на основе Bu[6] и биологически активных веществ бензокаина были исследованы три подхода: синтез комплекса в смеси органических растворителей (диметилсульфоксид DMSO/хлороформ с добавлением HCl) (Метод 1), в водной среде с добавлением HCl (Метод 2), комплексообразование в водной среде с последующей нейтрализацией раствора гидрокарбонатом натрия до pH ≈ 7 (Метод 3). Для получения композиционного материала на основе пористого никелида титана и комплекса Bu[6]-бензокаин, полученные растворы наносили на никелид титана с разной пористостью. При переходе от функционализации поверхности TiNi дисперсией чистого Bu[6] к нанесению супрамолекулярного комплекса Bu[6]-бензокаин, наилучшие результаты достигаются при использовании метода погружения образцов в раствор по сравнению с альтернативными подходами (вакуумное напыление, ультразвуковая обработка). Этот метод позволяет сохранить структурную целостность комплекса Bu[6]-бензокаин, минимизируя физическое воздействие. Микроструктура синтезированного Bu[6] характеризуется структурой в виде четких кристаллических частиц с гексагональной или октаэдрической формой. Результаты, полученные с помощью ЯМР-спектроскопии, ИК-спектроскопии и термогравиметрического анализа, подтверждают формирование устойчивого комплекса типа «гость-хозяин» между бензокаином и Bu[6]. Эти данные свидетельствуют о целесообразности использования бамбусурила в качестве универсальной платформы для таргетированной доставки биологически активных веществ, а также его интеграции в функциональные покрытия для металлических имплантатов, включая материалы на основе никелида титана. Эффективность формирования органического покрытия на поверхности никелида титана при обработке раствором, содержащим данный комплекс, существенно зависит от морфологии подложки, в первую очередь — от размера и распределения пор. Крупнопористые образцы обеспечивают более равномерное и конформное покрытие всех участков поверхности, включая внутренние стенки пор и межпоровые перемычки, что обусловлено лучшей проницаемостью раствора, меньшим капиллярным сопротивлением и равномерной кинетикой испарения растворителя. В отличие от них, в мелкопористых образцах высокое капиллярное давление, ограниченная вентиляция пор, высокая удельная площадь поверхности и сложная геометрия пор препятствуют равномерному проникновению и осаждению раствора, что приводит к неравномерному покрытию, преимущественно на внешней поверхности или вблизи входов пор. Эти различия подчеркивают важность морфологии подложки при формировании покрытия с супрамолекулярными комплексами. Цитобиологические исследования показали, что крупнопористые образцы с функционализированной поверхностью по методам 1 и 2 обладают высокой цитосовместимостью с преобладанием живых клеток, что указывает на минимальный клеточный стресс. В то же время образец 3 демонстрирует сниженные показатели жизнеспособности, при этом преобладающее число клеток находится в состоянии апоптоза. Мелкопористые образцы с функционализированной поверхностью методами 1 и 2 демонстрируют умеренную биосовместимость. Эти различия подчеркивают значимость как морфологии поверхности, так и состава нанесённого покрытия при взаимодействии материалов с клеточной средой. Мелкопористые образцы, обработанные по методу 3, показали наихудшие результаты: минимальное количество жизнеспособных клеток при значительном числе клеток в апоптозе и некрозе. Результаты оценки антибактериальной активности показали 100% ингибирование роста бактерий всеми образцами с функционализированной поверхностью на основе комплекса Bu[6]-бензокаин. Это подтверждает выраженные антибактериальные свойства исследуемых образцов, включая эффективность против штамма E. coli, что указывает на их потенциал как антибактериальных агентов. Таким образом, в рамках проекта были разработаны методы получения супрамолекулярных комплексов на основе бамбус[6]урила и биологически активных веществ, а также технологии создания композиционных материалов с использованием пористого никелида титана. Полученные системы показывают потенциал для использования в качестве локальных лекарственных покрытий с анестезирующими и антибактериальными свойствами, что делает их перспективными для применения в биомедицине. Методы 1 и 2 представляют наибольший потенциал для создания стабильных и эффективных композиционных биоматериалов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта имеют высокий потенциал для применения в здравоохранении и биомедицинской промышленности. Разработанные материалы на основе пористого никелида титана с функционализированной поверхностью обеспечивают контролируемое высвобождение лекарств и ускоренную регенерацию тканей, что способствует созданию нового поколения медицинских имплантатов. Проект направлен на усовершенствование технологий производства медицинских изделий и внедрение инновационных материалов. Ожидается создание научных и технологических заделов, способствующих росту российской биомедицинской отрасли, созданию новых предприятий, увеличению производственных мощностей и рабочих мест, что поддержит экономический рост и социальное развитие России.