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 25-25-00374
НазваниеРазработка композитного биомиметического наноматериала с антиоксидантными свойствами для ускоренной регенерации нервной ткани
Руководитель Кочеткова Ольга Юрьевна
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук , Московская обл
Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-405 - Регенеративная медицина
Ключевые слова Нановолокна, наноматериалы, наночастицы диоксида церия, окислительный стресс, активные формы кислорода, электроспиннинг, электрораспыление, наноматериалы с антиоксидантными свойствами.
Код ГРНТИ34.57.21
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
В рамках данного проекта будут разработаны наноматериалы нового типа, объединяющие регенеративный потенциал биомиметических нановолокон с противовоспалительными и антиоксидантными свойствами нанокристаллического диоксида церия. Объединение в материале возможности управления активностью клеток опосредованной нанотопологией материала и дополнительными функциональными свойствами, обусловленными иммобилизацией на антиоксиданых наночастиц позволяет осуществлять комплексное воздействие на поврежденную ткань усиливая регенерацию.
Значимость ожидаемых результатов можно разделить три группы:
1. Уникальные технические разработки.
Получение наноматериалов нового типа, объединяющие регенеративный потенциал биомиметических нановолокон с противовоспалительными и антиоксидантными свойствами нанозима - диоксида церия. Данный материал будет обладать и уникальными ультраструктурными характеристиками из-за иммобилизованных на поверхности наночастиц, что в перспективе послужит дополнительным фактором, повышающим клеточную адгезию. Важным преимуществом разрабатываемой технологии на основе комбинаций методик электроспиннинга и электронапыления служит возможность широкого контроля свойств получаемого материала путем изменения параметров технологического процесса: можно управлять размером и взаимной ориентацией получаемых волокон, толщиной и прочностью получаемого листового материала, плотностью и распределением нанесения функциональных наночастиц. В результате ультраструктура получаемых материалов может быть “настроена” для имитации самых разных тканей организма, таких как анизотропные мозговые оболочки либо периферические нервы, состоящие из ориентированных нервных отростков. При этом механические свойства получаемых материалов могут быть приведены в соответствие с требованиями самых разных медицинских задач.
2. Научная значимость
Ожидаемые результаты представляют значительный интерес в сфере получения тканеинженерных материалов, поскольку будут получены новые знания по влиянию “наношероховатости” поверхности на процессы пролиферации, роста и дифференцировки клеток нервной ткани. Так, впервые будет исследовано влияние ориентированных ультратонких волокон (с диаметром 100 нм), декорированных 5 нм частицами диоксида церия как нанозима, так и нанотопологического стимула на морфологию, пролиферативную активность и старение культуры Шванновских клеток. В модели ex vivo будет исследовано влияние модифицированных наноцерием скаффолдов на морфологические характеристики (элонгация и ветвление аксонов) и функциональную активность нейронов ДКГ в условиях окислительного стресса.
Стоит отметить, что иммобилизация действующих веществ имеет неоспоримые преимущества по сравнению с системным введением: это локальность и направленность действия, а также отсутствия возможной токсичности. Волокнистые скаффолды с антиоксидантными свойствами, описанные в литературе, в частности содержащие наночастицы CeO2 сосредоточены на включении антиоксидантов в состав полимерного волокна и последующим быстрым или пролонгированным высвобождением. При этом, импрегнация в состав волокна для последующего высвобождения также может привести к слишком быстрой деструкции скаффолда, тогда как восстановление дефекта например при травме периферических нервов занимает до 2 месяцев в течение которых необходимо сохранить целостность материала.
3. Социальная значимость
Реализация проекта в перспективе позволит вывести на Российский рынок новый тип медицинских изделий для применения в регенеративной нейрохирургии. Использование полученных композитных материалов может стать достойной альтернативой рыночным аналогам, в настоящее время представленным на Российском рынке зарубежными торговыми марками (имплантируемые биомембраны Integra Lifescience Corporation и Ethicon (США), эндопротезы твердой мозговой оболочки Duragen, оболочка для оборачивания поврежденных нервов NeuraWrap), а также традиционной процедуре аутотрансплантации. Во-первых, использование материала с комбинированным регенеративным воздействием может значительно снизить риск осложнений и повысить скорость восстановления после хирургического лечения повреждений головного и спинного мозга, а также разрывов периферических нервов. Во-вторых, за счет использования отечественных синтетических полимеров, масштабирования технологии и отсутствия расходов на импорт создаваемые продукты будут в разы дешевле для внутреннего рынка. Данный проект отвечает «Большим вызовам» мировой исследовательской повестки в области биодизайна, а полученные результаты будут востребованы при создании медицинских изделий для формирования биоэквивалентов и лечения нейротравм, а также при терапии трофических язв и обширных ранений различной природы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Целью данного проекта является создание нового типа композитного материала для биомедицинских применений, объединяющего регенеративный потенциал биомиметических полимерных нановолокон с противовоспалительными и антиоксидантными свойствами нанокристаллического диоксида церия.
На первом этапе работы получены 4 типа композитных материалов с антиоксидантными свойствами на основе биомиметических полиамидных нановолокон со средним диаметром 100 нм и наночастиц кристаллического диоксида церия для проведения in vitro испытаний. Материалы отличаются способом нанесения и иммобилизации наночастиц на волокнах и типом стабилизации наносимого золя диоксида церия.
Продемонстрирована возможность контроля топологии поверхности композитного материала: либо сплошное покрытие адсорбированными наночастицами с размером примерно 3 нм, достигаемое при взаимодействии волокон с заряд-стабилизированным золем диоксида церия, либо рельеф, состоящий из отдельных более крупных наночастиц с диаметром 30 нм и открытыми участками гладкой поверхности нейлонового волокна, получаемый при электронапылении на волокна смеси наночастиц диоксида церия с бычьим сывороточным альдегидом с последующей сшивкой в парах глутарового альдегида. Материалы с различной нанотопологией поверхности, могут оказывать влияние на пролиферативную активность клеток, культивируемых на материале. Подтверждено, что второй вариант рельефа наиболее эффективно стимулирует формирование и созревание фокальных контактов модельной культуры нейробластомы в местах взаимодействия клеточной мембраны с волокном.
Показано, что образцы с напыленными наночастицами заряд-стабилизированного диоксида церия демонстрируют сохранение структуры и ориентации волокон, а также сохранение иммобилизованных на волокнах наночастиц в течение 4 недель инкубации в фосфатно-солевом буфере при 37ºС (модель деградации при имитации физиологических условий in vitro), что подтверждает эффективность выбранного метода нанесения и иммобилизации наночастиц при создании композитного материала. Также преимуществом данного метода является возможность покрытия наночастицами свободно висящих на коллекторе волокон без перемещения на подложку, что облегчает дальнейшие манипуляции с материалом для использования при использовании в медицинских изделиях и уменьшает расход наночастиц диоксида церия, так как не требует полного погружения материала в раствор золя, как в методе с адсорбцией наночастиц. Для сравнения: покрытие 1 см2 волокнистого материала методом адсорбции требует расхода примерно 300 мкл золя наночастиц, при этом для одновременного покрытия партии из 20 образцов аналогичной площади методом электронапыления расходуется всего 2 мкл золя аналогичной концентрации, что дает разницу в расходе 3000 раз в пересчете на чистый диоксид церия. При этом оба типа материалов имеют близкую по величине антиоксидантную активность, оцененную ин витро с помощью ДПФГ-теста.
Результаты ДПФГ-теста доказывают сохранение примерно ~50% от исходной антиоксидантной активности образца с напыленными наночастицами диоксида церия через 96 часов инкубации в условиях, имитирующих физиологические, что подтверждает сохранение не только морфологии, но и специфической активности композитного материала. Сохранение высокого уровня антиоксидантной активности в течение как минимум 4 дней примерно перекрывает временные рамки острой фазы повреждения и последующей ранней фазы воспаления при травматизации периферических нервов; это фазы, в которых наиболее активно идет повреждение тканей активными формами кислорода при окислительном стрессе.
Подтверждена высокая биосовместимость волокнистых материалов, полученных обоими способами модификации поверхности нейлоновых нановолокон заряд-стабилизированными наночастицами диоксида церия: жизнеспособность клеток нейробластомы человека SH-SY5Y составила >95% после трех дней культивирования. Биомиметическая ультраструктура материалов способствуют адгезии и пролиферации клеток. В условиях окислительного стресса композитные материалы предотвращают гибель клеток и снижают уровни внутриклеточных АФК, т.е. обладают выраженной антиоксидантной активностью.
Показано, что композитные материалы сохраняют анизотропную ультраструктуру и способны эффективно направлять рост нейритов вдоль оси волокон. Культивирование дифференцированных клеток SH-SY5Y на данных скаффолдах привело к выраженному морфофункциональному эффекту: средняя длина нейритов увеличилась в 2 раза по сравнению с контролем, и существенно возросла доля более длинных отростков (>100 мкм).
Таким образом, комбинированный эффект антиоксидантной защиты и биомиметической топологии позволяет полученным композитным материалам стать перспективной основой для изготовления имплантатов, ускоряющих нейрорегенерацию за счёт подавления окислительного стресса и активного стимулирования роста аксонов.