Совместимость и трансформация функциональных неорганических наночастиц c культурами клеток в формируемых in vitro гибридных материалах по данным синхротронных исследований реконструкции атомного и электронного строения.

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 19-72-20180

НазваниеСовместимость и трансформация функциональных неорганических наночастиц c культурами клеток в формируемых in vitro гибридных материалах по данным синхротронных исследований реконструкции атомного и электронного строения.

Руководитель Турищев Сергей Юрьевич, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №31 - Конкурс 2019 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 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Синхротронное излучение; природоподобные технологии; рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; спектроскопия ближней тонкой структуры края рентгеновского поглощения; гибридные наноматериалы; in vitro; клеточные культуры; функциональные неорганические наночастицы; железо и его соединения; кремний и его соединения; физико-химическое состояние; локальное атомное окружение; реконструкция атомного и электронного строения; расчеты из первых принципов.

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Использование природоподобных технологий является новым и актуальным вопросом современной науки и технологий. Ресурсная эффективность, пониженная затратность, оптимальные функциональные характеристики материалов и структур, формируемых в рамках природоподобных технологий, являются ключевыми факторами их перспективности. Вопросы совместимости неорганических наноматериалов с клеточными технологиями, возможности тонкого управления составом и структурой для подстройки функциональных свойств являются краеугольными для имплементации гибридных наноструктур при переходе к новым материалам и способам конструирования, интеллектуальным производственным технологиям и другим областям и направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Путем детального изучения, прямыми экспериментальными методами, реконструкции локального атомного и электронного строения в проекте будут впервые проведены комплексные исследования вопросов совместимости и трансформации неорганических наночастиц соединений железа in vitro формируемых гибридных материалов на основе клеточных культур E.coli и наночастиц кремния и его соединений, введенных в клеточные культуры млекопитающих. Областями применения полученных знаний являются, соответственно, компактная и быстродействующая наноэлектроника и спинтроника, точечная прецизионная неинвазивная наномедицина (диагностика и терапия). В случае клеточных культур E.coli естественной, природной функцией белковых молекул Dps, входящих в состав клеток, является накопление во внутренних молекулярных полостях неорганических наночастиц оксидов железа с фиксированной формой и размером, не превышающих 8 нанометров. С целью формирования распределенных массивов наночастиц железа и его соединений можно использовать относительно затратный процесс выделения молекул, однако целостная клетка может выступать более эффективным "центром" контролируемого формирования, транспортировки и распределения неорганических наночастиц. Здесь открытыми остаются вопросы установления физико-химического состояния наночастиц, их локального атомного и электронного строения при совмещении с клетками культуры E.coli, в том числе сверхпродуцирующих белок Dps, а также их термической трансформации. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в настоящее время в области тераностических (одновременная диагностика и терапия) применений кремниевых наночастиц, существует фактическое отсутствие экспертной информации о физико-химических процессах, происходящих при интернализации наночастиц и их деградации в клетках. Однако эта информация является действительно необходимой и востребованной для будущих клинических тестирований и применений наночастиц кремния. Наночастицы кремния могут быть получены различными способами, при этом наиболее эффективным является их получение из наноструктурированного пористого или более упорядоченного нитевидного кремния, подвергнутого дальнейшему измельчению и термической трансформации. Естественная способность элементарного кремния активно окисляться делает крайне актуальными вопросы стабильности и трансформации его атомного и электронного строения, состава и структуры кремниевых наночастиц при управляемом совмещении с органическими, природными объектами. Такими объектами, безусловно, являются клеточные культуры млекопитающих, в которые контролируемо внедрены кремниевые наночастицы, несущие функцию маркера, контейнера или активного вещества. Таким образом, актуальным вопросом является не только результат совмещения неорганических наночастиц с клеточными культурами, но и их дальнейшие изменения при стимулированном насыщении, термической трансформации. С точки зрения прямых экспериментальных исследований локального атомного и электронного строения, эволюции физико-химического состояния, указанные вопросы практически не исследованы в современной науке, а имеющиеся отдельные результаты противоречивы. Предлагаемый впервые комплексный подход, состоящий в применении взаимно-дополняющих прямых экспериментальных синхротронных методов высокого разрешения: спектроскопии ближней тонкой структуры краев рентгеновского поглощения и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, а также высокоточных расчетов из первых принципов и моделирования, позволит получить новые данные о совмещении и трансформации функциональных неорганических наночастиц с культурами клеток в формируемых in vitro гибридных материалах, с точки зрения реконструкции локального атомного и электронного строения. Применение высокоинтенсивного синхротронного излучения КИСИ и уникальных методов анализа мирового уровня станции КИСИ НАНОФЭС, основанных на изучении физико-химического состояния поверхности и границ раздела, специфики локального атомного окружения, является ключевым для изучения атомного и электронного строения гибридных наноструктур и их реконструкции. По данным успешно проведенных предварительных экспериментов на станции НАНОФЭС имеются все методы и подходы, реализованные на современном аналитическом оборудовании мирового уровня, уникальном для РФ, и необходимые для выполнения проекта. Таким образом, реализация проекта возможна на отечественном уровне исключительно с применением возможностей КИСИ и станции НАНОФЭС.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Манякин М.Д., Курганский С.И. Electronic structure of stishovite SiO2 Journal of Physics: Conference Series, № 1, Vol. 1352., P. 012032 -1-6. (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1352/1/012032

2. Турищев С.Ю, Марченко Д., Сиваков В., Беликов Е.А., Чувенкова О.А., Паринова Е.В., Коюда Д.А., Чумаков Р.Г., Лебедев А.М., Куликова Т.В., Бережной А.А., Валиахмедова Н.В., Праслова Н.В., Преображенская Е.В., Антипов С.С. On the possibility of PhotoEmission Electron Microscopy for E. coli advanced studies Results in Physics, Vol. 16., P. 102821 (год публикации - 2020)
10.1016/j.rinp.2019.102821

3. Паринова Е.В., Пислярук А.К., Шлейзенер А., Коюда Д.А., Чумаков Р.Г., Лебедев А.М., Овсянников Р., Макарова А., Смирнов Д., Сиваков В., Турищев С.Ю. Peculiarities of electronic structure and composition in ultrasound milled silicon nanowires Results in Physics, V.19, P. 103332 (год публикации - 2020)
10.1016/j.rinp.2020.103332

4. Манякин М.Д., Курганский С.И. Electronic structure of the ideal Si (001) surface by first-principles calculations Journal of Physics: Conference Series, 1658, 012032 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1658/1/012032

5. Курганский С.И., Дежина О.А., Манякин М.Д., Паринова Е.В., Коюда Д.А., Турищев С.Ю. Natural surface oxidation consideration in first principles modeling of the X-ray absorption near edge fine structure of silicon Results in Physics, V.21, P.103778 (год публикации - 2021)
10.1016/j.rinp.2020.103778

6. Потуданский Г.П., Пешков Я.А., Курганский С.И. Electronic structure and K-edge X-ray absorption of iron monosilicide Journal of Physics: Conference Series, 1902, 012139 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1902/1/012139

7. Коюда Д.А., Титова С.С., Цурикова У.А., Какулия Ю.С., Паринова Е.В., Чувенкова О.А., Чумаков Р.Г., Лебедев А.М., Канныкин С.В., Осминкина Л.А., Турищев С.Ю. Composition and electronic structure of porous silicon nanoparticles after oxidation under air- or freeze-drying conditions Materials Letters, V. 312, P. 131608. (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2021.131608

8. Титова С.С., Осминкина Л.А., Какулия Ю.С., Чувенкова О.А., Паринова Е.В., Рябцев С.В., Чумаков Р.Г., Лебедев А.М., Кудрявцев А.А., Турищев С.Ю. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия биогибридных структур клеток 3Т3 NIH с интернализованными наночастицами пористого кремния на подложках различных материалов Конденсированные среды и межфазные границы (год публикации - 2023)

9. Паринова Е.В., Антипов C.C., Sivakov V., Беликов Е.А., Чувенкова О.А., Какулия Ю.С., Требунских С.Ю., Скоробогатов М.С., Чумаков Р.Г., Лебедев А.М., Артюхов В.Г., Турищев С.Ю. Локализация молекул белка Dps E.coli в матрице нитевидного кремния по данным растровой электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии Конденсированные среды и межфазные границы (год публикации - 2023)

Публикации