Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На первом этапе проекта выполнено исследование механизмов формирования магнитных ядер составов Fe3O4 (FO), MnFe2O4 (MFO) и Ga-Fe-O (GFO) в зависимости от параметров синтеза. В рамках исследования установлено влияние содержания биосовместимых функциоанализирующих агентов, таких как лимонная кислота (СА) и нейромедиатор допамин (DOP), и длительности синтеза на состав, структуру и магнитные свойства коллоидных наночастиц (НЧ) MFO, сформированных in situ микроволновым гидротермальным (МГТ) методом. Показано, успешное формирование инвертированной шпинели магнетита допированный галлием ([Fe2+O]T[〖"Ga" 〗_"x" ^"3+" 〖"Fe" 〗_"y" ^"3+" "O" _"3" ]O) c помощью сольвотермального метода с высокой намагниченностью более 50 эме/г, тогда как гидротермальный подход приводит к формированию не магнитных составов вследствие высокой окислительной активности железа в водной среде. Также установлено влияние соотношения Fe:Ga в реакционном растворе (1:1; 2:1; 2.5:1; 3:1) и температуры прокаливания (500-700℃) на структуру состав и магнитные свойства НЧ GFO. Коллоидные НЧ FO c средним размером 11 нм и намагниченностью более 60 эме/г получены с помощью метода in situ соосаждения с функционализирующими агентами. На следующем этапе реализации проекта разработана технология in situ синтеза на основе микроволнового гидротермального (МГТ) метода, позволяющего получать коллоидные магнитоэлектрические (МЭ) НЧ структуры «ядро-оболочка» с размерами менее 30 нм на основе вышеизложенных ядер с максимально высокими магнитными свойствами и тонкой эпитаксиальной сегнетоэлектрической оболочкой перовскита Ba0,85Ca0,15Zr0,1Ti0,9O3 (BCZT) за несколько часов без проведения дополнительных обработок. Показан гетероэпитаксиальный механизм роста кристаллической оболочки перовскита BCZT, как на ядрах шпинели MFO, так и на ядрах инвертированной шпинели FO. Далее установлено влияние химико-термодинамических условий МГТ синтеза, таких как температура (185-225°С), длительность (1-6 ч.) и содержание щелочи в реакционном растворе (2-10М), на структурно-фазообразование оболочки перовскита BCZT на поверхности ядер шпинели MFO. Показано повышение содержания фазы BCZT относительно магнитной фазы ядра по мере увеличения данных параметров МГТ синтеза. Также выявлено повышение содержания тетрагональной и тригональной фаз и снижение содержания орторомбической фазы в структуре оболочки перовскита BCZT при увеличении длительности, температуры или концентрации щелочи МГТ метода. Для получения стабильных коллоидных растворов МЭ НЧ с высокой дисперсностью в рамках реализации проекта изучали влияние in situ функционализации такими биосовместимыми агентами, как CA и DOP, и пост-функционализации с помощью пектина (PEC). В результате отработана технология получения МЭ НЧ с размерами менее 30 нм и со значительно отличающимся по величине дзета-потенциалами поверхности: -13,1±2 мВ при DOP, -27,1±4 мВ при CA, -35,1±5 мВ при PEC. В свою очередь, такие значительные отличия в величине дзета-потенциала МЭ НЧ сыграли важную роль в in vitro исследовании целевых воздействий на разные фенотипы клеток. Выполнено комплексное и систематическое исследование структуры, включая ее дефектность, химического и молекулярного составов всех разработанных МЭ НЧ, функционализированных разными поверхностными агентами. Показано формирование стехиометрической оболочки BCZT на всех разработанных МЭ НЧ, а также образования ковалентной связи с функционализирующими агентами, как CA и DOP, вследствие хелатирования. При этом, определено снижение микронапряжений в оболочке перовскита BCZT по мере увеличения длительности и температуры in situ МГТ синтеза. В свою очередь, повышение щелочи приводит к вымыванию ионов Ca и Zr из структуры перовскита и, следовательно, увеличению микронапряжений в оболочке МЭ НЧ. Разработанные МЭ НЧ на основе биосовместимых ядер со структурой шпинели или инвертированной шпинели и тонкой (до 5 нм) сегнетоэлектрической оболочкой перовскита BCZT показали самые высокие значения МЭ отклик среди существующих зарубежных аналогов на основе биосовместимых материалов и сопоставимый с потенциально токсичными наноматериалами, содержащими кобальт или никель. Также показаны высокие пьезоэлектрические и магнитные свойства у разработанных МЭ НЧ разных составов. Однако, магнитные свойства МЭ НЧ на основе инвертированной шпинели (магнетите) показали значительно более высокие значения в сравнении с МЭ НЧ на основе обычной шпинели (феррит марганца). Нам удалось показать, что использованные в рамках проекта функционализирующие агенты НЧ способны модулировать биологические эффекты, что является ключевым моментом при разработке интерфейсов МЭ НЧ-клетка. Таким образом, в соответствии с поставленной задачей, возможно подобрать функционализирующий агент, минимизирующий нецелевое воздействие МЭ НЧ на клетку, например, при их использовании для регуляции активности нейронов, или усиливающий терапевтические эффекты МЭ стимуляции, например, при лечении рака и предотвращении его рецидивов. Таким образом, мы показали, что синтезированные МЭ НЧ способны влиять на клеточный метаболизм за счет не инвазивной МЭ стимуляции, и эти эффекты возможно контролировать за счет частоты и амплитуды переменного магнитного поля.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Оптимизирована стратегия иммобилизации перспективных препаратов, таких как плазмидная ДНК (pDNA), доксорубицин (DOX) и леводопамин (LD), на поверхности магнитоэлектрических (МЭ) наночастиц (НЧ) на основе феррита марганца и Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT). Установлено, что предварительная обработка в растворе Mn2+ позволила достигнуть 70% эффективности загрузки pDNA. Показано, что функционализация МЭ НЧ полидопамином (DOP) обеспечивает 96% эффективность загрузки DOX в течение 1 часа. Для LD показана необходимость дополнительной пассивации СA для подавления каталитической активности ионов марганца, что позволяет достичь стабильной загрузки на уровне 45-65%. Выявлено, что переменное магнитное поле (ПМП) с индукцией 16 мТл увеличивает высвобождение pDNA с МЭ НЧ на 10-15% относительно пассивного подхода. Установлено, что пассивное высвобождение DOX ограничено 3%. Показано, что воздействие ПМП (100 Гц, 75 мТл) является эффективным для трёхкратного увеличения высвобождения DOX до 11±1% с МЭ НЧ в течение 1 часа. Впервые для данной системы продемонстрирована возможность прямого пространственно-временного контроля десорбции в ступенчатом режиме ПМП. Также для LD на пассивированных частицах подтверждена принципиальная возможность высвобождения в физиологически условиях (44±6% за 36 ч при pH 4.0). Таким образом, разработана магнитоуправляемая платформа для доставки лекарств, эффективность которой определяется корреляцией между химией поверхности, механизмом связывания и МЭ откликом НЧ. Установлено, что стабильность и агрегационное поведение НЧ определяется их функционализацией. НЧ, функционализированные DOP, сохраняют высокую стабильность в клеточной среде, демонстрируя минимальную агломерацию в постоянном магнитном поле при 80 мТл. Тогда как НЧ, функционализированные CA, демонстрирует усиление агломерации под действием статического магнитного поля (СПМ). На основе этого выбора создана комплексная неинвазивная платформа для доставки МЭ НЧ в головной мозг. Доказано, что комбинация гидрогеля и магнитного поля обеспечивает повышение эффективности назальной доставки МЭ НЧ в мозг. Таким образом, определена ключевая роль поверхностной химии МЭ НЧ для их управляемого магнитного позиционирования и создана эффективная стратегия для неинвазивной адресной доставки в центральную нервную систему. Разработана методология синтеза МЭ НЧ на основе феррита марганца и перовскита BCZT, функционализированных лимонной кислотой, которая позволяет прогнозируемо регулировать их кристаллическую структуру и функциональные свойства. Установлено, что варьирование параметров микроволнового гидротермального (МГТ) синтеза управляет фазовым составом сегнетоэлектрической оболочки и определяет величину пьезо- (9-18 пм·В-1) и МЭ откликов (от 4 до 180 × 104 В·см-1·Э-1) МЭ НЧ. При этом максимальные значения достигаются для НЧ, синтезированных при 185°C. Между тем, in vitro эксперименты на первичных нейронах показали, что данные МЭ НЧ обеспечивают значительно более эффективную магнитостимуляцию нейрональной активности в ответ на низкочастотное ПМП. Таким образом, выявлена прямая корреляция между условиями синтеза, структурой оболочки, физическими свойствами МЭ НЧ и их биологической эффективностью, что позволяет выбирать и синтезировать частицы с заданными характеристиками для конкретных биомедицинских применений. Исследовано влияние МЭ стимуляции НЧ на жизнеспособность, пролиферацию и дифференцировку нейрональных клеток. Установлено, что МЭ НЧ, функционализированные DOP, демонстрируют высокую биосовместимость и интернализацию с клетками нейробластомы SH-SY5Y. Показано, что ПМП предотвращает дозозависимое ингибирование метаболизма и пролиферации, вызываемое высокими концентрациями МЭ НЧ (от 25 мкг/мл), поддерживая жизнеспособность и плотность клеточной популяции. Для клеток линии PC12 умеренная цитотоксичность (снижение жизнеспособности на 40-50%) наблюдается только при концентрациях МЭ НЧ более 500 мкг/мл и усиливается под действием ПМП, включая высвобождение pDNA. На модели нервных стволовых клеток в гибридном МЭ 3Д гидрогеле доказано, что НЧ MFO@BCZT усиливают нейрональную дифференцировку и подавляют астроцитарную. Таким образом, МЭ НЧ в сочетании с магнитной стимуляцией представляют собой биоактивный интерфейс, поддерживающий жизнеспособность нейрональных клеток и обеспечивающих направленно стимулирующий нейрогенез, что открывает перспективы для нейрорегенеративной терапии. По результатам исследования установлено, что параметры ПМП оказывают влияние на формирование стресс-гранул в клетках, нагруженных МЭ НЧ. В отсутствие ПМП магнитные и МЭ НЧ, функционализированные DOP и CA, вызывали снижение количества стресс-гранул, относительно контроля, что может отражать ослабление стресс-ответа, либо перераспределение гранул внутри клетки. Воздействие СМП усиления образования стресс-гранул не вызывало. Применение ПМП приводило к усилению образования стресс-гранул, причём эффект демонстрировал зависимость от амплитуды поля. ПМП (16 мTл, 30 Гц) при инкубировании с МЭ НЧ индуцировал максимальное увеличение числа стресс-гранул как по суммарному количеству, так и по числу клеток, содержащих гранулы. Воздействие более слабым ПМП (6 мTл, 30 Гц) с МЭ НЧ вызывало аналогичную, но менее выраженную реакцию. Полученные данные подтверждают, что комбинация МЭ НЧ с параметрами ПМП позволяет модулировать клеточный стресс-ответ. Разработана и оптимизирована технология получения функциональных композитных МЭ скэффолдов методом 3Д биопечати. Установлено, что введение МЭ НЧ, функционализированных CA, в концентрации 3 мас.% в метакрилоилированном желатине обеспечивает оптимальное сочетание печатаемости, биосовместимости, механической прочности и гидрофильных свойств. Показано, что МЭ НЧ увеличивают структурную стабильность каркаса, что связано с их влиянием на реологию композита. Таким образом, созданы МЭ биочернила с управляемыми реологическими, механическими и биологическими характеристиками, пригодные для изготовления тканеинженерных конструктов.