КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-13-00247

НазваниеИнженерия поверхности волос: модификация волокнистых материалов биологического происхождения с помощью функциональных керамических наноконтейнеров

РуководительФахруллин Равиль Фаридович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)

Года выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые словакерамические наночастицы, модификация поверхности, волокнистые материалы, волосы, ткани природного происхождения, антимикробные препараты, топические лекарственные препараты, функционализация

Код ГРНТИ31.15.37


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Конструирование материалов с применением методов «зеленой» химии и возобновляемых источников сырья является одной из важнейших проблем современной химической технологии. Настоящий проект направлен на разработку научных основ модификации поверхностей волос и других волокнистых материалов природного происхождения путем направленного формирования наноструктурированных слоев на основе функциональных неорганических керамических наноконтейнеров, несущих разнообразные органические компоненты. Применение таких материалов позволяет эффективно и экономически обоснованно изменять свойства природных микроструктурированных материалов. В сравнении с синтетическими материалами материалы природного происхождения обладают рядом преимуществ, таких как низкая токсичность (гипоаллергенность) и комфортность в использовании, однако применение природных материалов ограничивается их низкой износостойкостью и склонностью к деформации и биодеградации. В то же время область применения натуральных волокон может быть значительно расширена путем направленной модификации их свойств с помощью функционализированных наноматериалов. Абсолютное или близкое сходство микроструктуры волокнистых материалов природного происхождения и волос млекопитающих позволяет предложить универсальную технологию модификации поверхности волокон биологического происхождения для использования в текстильной и косметической промышленности. В рамках предлагаемого проекта предлагается разработка и апробация инновационной методологии модификации поверхности волокон природного происхождения керамическими наноматериалами, несущими функциональные компоненты. Несмотря на интерес исследователей к конструированию гибридных материалов и функционализации поверхностей биологических структур, в настоящее время практически отсутствуют работы по направленной модификации фибриллярных волокон природного происхождения (волосы млекопитающих, перья птиц, трихомы растений) при помощи наноразмерных частиц, в особенности с использованием композитных наночастиц, состоящих из нескольких структурных и функциональных компонентов. Для формирования нанооболочек на поверхности волос и иных волокон природного происхождения будут применены многослойные керамические наночастицы пластинчатой (каолин, монтмориллонит) или трубчатой (галлуазит, сепиолит) морфологии, которые будут использованы в качестве наноконтейнеров для функциональных макромолекул. Модификация волокнистых структур природного происхождения будет направлена на изменение их эстетических свойств (окраски и запаха); защиту от биодеградации путем нанесения антибактериальных, фунгицидных и инсектицидных препаратов; изменение огнестойкости тканей и нетканых материалов на основе шерсти, хлопка, льна и шелка. Будут разработаны методы модификации волос человека для эффективного изменения окраски, толщины, текстуры и аромата волос в косметологических целях, защиты структуры волос и кожных покровов под ними от ультрафиолетового излучения, а также нанесения топических противовоспалительных препаратов непосредственно на волосяной покров в пораженных участках кожи для длительного постепенного высвобождения лекарственных веществ. Кроме того, будут разработаны ветеринарные препараты на основе функциональных наноконтейнеров для нанесения на поверхность волос сельскохозяйственных и домашних животных. С помощью набора физико-химических и биохимических методов будут всесторонне охарактеризованы процессы самосборки неорганических наночастиц на поверхности биологических волокон и определены оптимальные параметры для направленной модификации свойств волокнистых материалов. Для изучения закономерностей процессов самосборки наночастиц на поверхности волокон в ряде экспериментов будут использованы наночастицы благородных металлов (Au, Ag), оксидные наночастицы (Fe3O4, TiO2, SiO2), квантовые точки, углеродные наноматериалы (оксид графена, многостенные углеродные нанотрубки). В процессе изучения механизма самосборки наноматериалов будут применены модифицированные наночастицы, содержащие на своей поверхности различные функциональные макромолекулы, обеспечивающие направленное изменение коллоидных свойств наночастиц.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны научные основы инженерии поверхности организованных в виде микроволокон биополимеров для решения актуальных проблем косметологии, создания асептических перевязочных материалов, доставки топических лекарственных средств и улучшения функциональных и структурных свойств материалов на основе волокон. Будет разработана методология формирования наноконтейнеров на основе керамических трубчатых и пластинчатых материалов для загрузки природных и синтетических пигментов, ароматизаторов, антимикробных и инсектицидных препаратов, противовоспалительных препаратов, антипиренов и защитных белков, исследована динамика загрузки и релиза функциональных компонентов из наноконтейнеров, в том числе в присутствии полимерных покрытий на поверхности наноконтейнеров для контролируемого и триггер-активируемого релиза препаратов. Будет разработана методика модификации внешней и внутренней поверхности наноконтейнеров на основе керамических нанотрубок путем формирования нанопленок с помощью силанов, поверхностно-активных веществ и органических лигандов. Будет определен механизм и эффективность загрузки препаратов и установлены оптимальные условия для их пролонгированного высвобождения. Будет проведена модификация нанотрубок галлуазита для оптимальной загрузки гидрофобных красителей и лекарственных препаратов путем увеличения диаметра полости нанотрубок путем кислотного травления и гидрофобизации полости или поверхности нанотрубок. Будет проведено детальное исследование микроструктуры и химических свойств поверхности волос человека, сельскохозяйственных (козы, овцы, кролики, коровы, лошади, куры), домашних (собаки, кошки, морские свинки, хомяки) и диких животных, обитающих в экстремальных условиях (капибары, бобры, песцы), а также волокон биологического происхождения (войлок, хлопок, лен, шелк) для определения оптимальных условий нанесения наночастиц. Будет разработана методика формирования наноструктурированных оболочек, изучены динамика и основные параметры процесса самосборки гибридных наночастиц на поверхности волос и волокон природного происхождения. Будут охарактеризованы физико-химические свойства наномодифицированных волокон и исследована зависимость морфологии, структуры и стабильности созданных покрытий на поверхности микроволокон от вида используемых наноматериалов, их химической модификации, концентрации, температуры, рН и ионной силы раствора для нанесения. Будут оценены функциональные свойства и биобезопасность разработанных материалов in vitro (на культурах клеток млекопитающих) и in vivo (с использованием нематод Caenorhabditis elegans, ракообразных, моллюсков, мышей, крыс). Полученные в проекте результаты внесут вклад в понимание фундаментальных процессов, лежащих в основе явления самопроизвольной организации неорганических наночастиц на поверхности биологических волокон, а также могут быть использованы для конструирования широкого спектра новых гибридных материалов и существенного улучшения функциональных свойств существующих материалов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Разработана методика характеристики кутикулы волос человека и животных при помощи атомно-силовой микроскопии (АСМ) в нерезонансном режиме PeakForce Tapping QNM. Определены наномеханические характеристики здоровых и поврежденных волос человека. В качестве перспективных объектов для исследования структуры волос были определены сельскохозяйственные и дикие животные (млекопитающие: козы, овцы, кролики, коровы, лошади, собаки, кошки, морские свинки, хомяки, капибары, бобры и песцы; а также птицы (куры), перья которых, хотя и не являются волосами, однако состоят из тех же компонентов, имеют сходную структуру и являются гомологами волос млекопитающих как эволюционно, так и функционально. Также, в качестве объектов использовали микроскопические волокна биологического происхождения (овечий войлок, необработанный хлопок, лен, натуральный шелк). С помощью физико-химических и микроскопических методов определена морфология и топография поверхности исследуемых образцов, а также охарактеризованы их спектральные свойства. Получены темнопольные изображения, позволяющие выявить наличие пигментов в шерсти кошек разного окраса и охарактеризовать микроструктуру волос. Неоднородность химического состава волос приводит к чередованию гидрофильных и гидрофобных участков, в связи с чем агрегаты нанотрубок галлуазита распределяются на поверхности неравномерно. Наиболее интересные результаты получены при сравнении волос генетически и эволюционно близких, но резко отличающихся по среде обитания животных из отряда грызунов (морских свинок Cavia porcellus и капибар Hydrochoerus hydrochaeris). Несмотря на общее происхождение, капибары являются полуводными животными, тогда как дикие предки ныне одомашненных морских свинок в естественных условиях обитали в горных биотопах, что обуславливает кардинальные различия в структуре и функциях волос данных грызунов. В отличие от тонкого волоса морской свинки, волос капибары намного более толстый и крупный. Структура поверхности волоса капибары визуализируется нечетко, при этом детектируются нанотрубки галлуазита на поверхности волос капибары и морской свинки, располагающиеся на бороздках, выступах и углублениях. Волос капибары имеет двойную кутикулу, с характерной бороздкой между двумя частями волоса и восковым слоем, которые необходимы для быстрого удаления воды и вентиляции. Гиперспектральное картирование позволило установить, что отмывка волос капибары после покрытия нанотрубками галлуазита способствует равномерному распределению частиц на поверхности волоса. Ультраструктура волос капибар и морских свинок была изучена с использованием атомно-силовой микроскопии. Определена шероховатость и наномеханические характеристики волос морской свинки и капибары. Получены препараты на основе нанотрубок галлуазита, содержащих в полости нуклеиновые кислоты. Галлуазит слабо связывает нуклеотиды (полиАУ, УМФ-Na2, АДФ-Na3, dАТФ-Na, AMP, АТФ-Mg) и не связывает уридин. Более крупные молекулы, такие как геномная ДНК и поли-AУ, а также фрагментированная ультразвуком ДНК присоединялись к галлуазиту только в присутствии MgCl2. ДНК на поверхности нанотрубок визуализировали по изменению неспецифической адгезии, которая у нанотрубок, модифицированных Mg2+, была практически в три раза выше, чем у интактных нанотрубок (HNT = 2.9 ± 1.5 нН; HNT + Mg2+ = 10,5 ± 2 нН), что указывает на адсорбцию Mg2+ на поверхности галлуазита. Адсорбция ДНК еще больше увеличивала адгезию к поверхности нанотрубок (HNT + Mg2+ + ДНК = 17.5 ± 4.3 нН). Изменений упругости поверхности галлуазита не наблюдалось. С помощью термогравиметрического анализа (ТГА) установлено, что дATФ-Na не загружался в нанотрубки (независимо от наличия MgCl2). Просвечивающая электронная микроскопия позволила определить, что нанотрубки, инкубированные с MgCl2, не содержали органического материала, в то время как нанотрубки, модифицированные АМФ или АТФ, содержали органический материал в просвете, а поверхность нанотрубок, инкубированных с ДНК в присутствии MgCl2, имела сплошное покрытие. После модификации нанотрубок ДНК в присутствии MgCl2 наблюдалось расширение спектров, но сохранялась характерная полоса в районе 550 нм. Интактные нанотрубки галлуазита проникали в клетки (Caco-2, A549, MSC, HSF), не приводя к их гибели. Самосборка нанотрубок в процессе испарения приводит к формированию периодических кольцевидных структур. Контролируемое испарение растворителя из капли 1% суспензии нанотрубок галлуазита, модифицированных обработанной ультразвуком ДНК в присутствии MgCl2, привело к появлению устойчивых спиралевидных структур. Разработана методология формирования наноконтейнеров на основе нанотрубок галлуазита для загрузки природных и синтетических пигментов (2-гидрокси-1,4-нафтохинон, основной синий 99 (ОС99), основной желтый 87 (ОЖ87)) и ароматизаторов (лимонен, линалоол). Вакуумная загрузка красителей и отдушек привела к снижению агрегации модифицированных нанотрубок галлуазита. Уменьшение размера комплекса нанотрубок галлуазита с красителями и ароматизирующими химическими веществами по сравнению с размером отдельных компонентов подтверждает формирование стабильных наноконтейнеров. Загрузка красителя ОС99 обуславливает компенсирующее изменение ζ-потенциала нанотрубок. Загрузка лимонена и линалоола приводит к увеличению ζ-потенциала. Увеличение концентрации красителя ОЖ87 в два раза при загрузке приводит к увеличению ζ-потенциала, значение которого достигает -6.47±0.49 мВ. Повышение ζ-потенциала связано с адсорбцией молекул на поверхности и экранированием поверхности нативных нанотрубок галлуазита ионами красителей и отдушками. Загрузка красителя ОЖ87 приводит к увеличению ζ-потенциала нанотрубок, что коррелирует с количеством иммобилизованного соединения. При загрузке красителя ОС99 в модифицированных нанотрубках галлуазита присутствовали участки с высоким значением адгезии до 57.5 нН, в контроле значения адгезии не превышают 5.7 нН. На АСМ-изображениях нанотрубок галлуазита, загруженных отдушками, показано наличие глобул на поверхности. После загрузки красителя ОЖ87 спектр нанотрубок галлуазита смещается в желтую область спектра, нанесение синего красителя ОС99 приводит к смещению спектра в красную область. С помощью ТГА установлено, что максимальная загрузка наблюдается при соотношении частиц и красителя 1:2. Основная потеря массы красителей происходит при 100-450 ° С, выше 500° C происходит деградация галлуазита. Наибольшая загрузка наблюдается у линалоола (5.94 %). Электронные микрофотографии показывают неоднородную электронно-плотную структуру внутри полости нанотрубок галлуазита. Поверхность нанотрубок после нанесения органического материала становится неоднородной, при этом общая структура нативных и загруженных нанотрубок галлуазита не меняется. Разработаны фотопротекторные наноконтейнеры на основе нанотрубок галлуазита и кератина, изучена их самосборка на поверхности волос человека. Определена зависимость ζ-потенциала от рН в процессе нанесения белка при значениях кислотности среды выше и ниже изоэлектрической точки кератина. С помощью турбидиметрии установлено, что удельная экстинкция кератина зависит от рН среды. Электростатические взаимодействия между отрицательно-заряженным кератином и положительно-заряженной внутренней поверхностью галлуазита при рН 6 приводят к уменьшению ζ-потенциала с увеличением массы галлуазита до массового отношения ≤ 0.1. Аффинность галлуазита к кератину выше при рН 6 (6.37 мас%) по сравнению с рН 4 (2.47 мас.%). Сродство галлуазита к кератину более выражено при рН 6 вследствие электростатических взаимодействий, что связано с удержанием белка в полости галлуазита (~10 об% нанотрубки). Коллоидная стабильность галлуазит/кератин при рН 6 сохраняется как минимум в течение 40 ч. При рН 4 присутствие кератина увеличивает стабильность в пять раз, вероятно, в результате образования водородных связей. Увеличение рН с 4 до 6 индуцировало увеличение характерного времени осаждения галлуазита и снижение уровня значения коэффициента пропускания. Адсорбция кератина на галлуазите является эндотермическим процессом. Калориметрические результаты согласуются с измерениями ζ-потенциала. Электростатическое взаимодействие между белком и галлуазитом происходит в диапазоне массового соотношения ≤ 0.1, при этом изменение поверхностного потенциала композита галлуазит/ согласуется с термодинамикой взаимодействия между компонентами. Изучена коллоидная стабильность галлуазита и кератина с использованием темнопольной микроскопии позволяющего визуализировать единичные нанотрубки в водных суспензиях. Иммобилизация кератина в полости и на поверхности нанотрубок галлуазита не приводит к образованию агрегатов, как при использовании отрицательно заряженного (рН 6 и 8), так и нейтрального кератина (рН 4). Присутствие кератина вызывало красный сдвиг в спектрах отраженного света, что можно объяснить адсорбцией белка на нанотрубках. Определена неспецифическая адгезия между композитами галлуазит/кератин и наконечником из нитрида кремния АСМ-зондов. Поверхность интактного галлуазита была слабо адгезивной (3.0±0,5 нН), при этом наблюдалось увеличение адгезии в два раза (6.3±2.1 нН) в образцах галлуазит/кератин (рН 4), и почти в 5 раз (14.6±5.9 нН) в образцах галлуазит/кератин (рН 6). Увеличение неспецифической адгезии связано с формированием слоя кератина и изменением его пространственной конформации в зависимости от рН. Обработка волос человека глобулами кератина не привела к существенным изменениям их визуальной морфологии. В образцах волос, обработанных композитом галлуазит/кератин, локализация нанокомпозита связана с определенными участками чешуек. Нанесение композита галлуазит/кератин на волосы приводит к увеличению рассеяния света с их поверхности. Обработка гидролизованным кератином и композитом галлуазит/кератин обуславливает увеличение среднеквадратичной шероховатости и максимальной высоты текстуры поверхности волос. Общее распределение высоты текстуры волос при этом оставалось неизменным. Обработка волос композитом галлуазит/кератин увеличивала шероховатость и площадь межфазной поверхности волоса, не влияя при этом на общую геометрию и распределение волос по высоте. Топография поверхности волос человека, обработанных композитом галлуазит/кератин, подтверждает неупорядоченное расположение нанотрубок галлуазита в виде плотного монослоя на кутикуле, с повышенной шероховатостью. После обработки волосы приобрели высокую жесткость и неспецифическую адгезию. Воздействие УФ-излучения на волосы приводит к время-зависимому появлению цистеин-S-тиосульфата и монооксида цистеина. Образование продуктов окисления цистеина существенно снижается после нанесения на волосы композита галлуазит/кератин. Поверхность волос, обработанная раствором кератина, полностью покрыта сферическими структурами гидролизованного кератина. На поверхности волос, покрытых композитом галлуазит/кератин, обнаружены сферические и трубчатые частицы, представляющие собой агрегаты кератина и галлуазита. Длина чешуек кутикулы лишь незначительно изменялась под воздействием УФ-облучения, в отличие от высоты чешуек, что позволяет определить характер защитного эффекта. УФ-облучение повреждает дистальные участки чешуек кутикулы, увеличивая их общую шероховатость. Защитный эффект обусловлен синергетическим действием гидролизованного кератина (УФ-защитный слой) и галлуазита (светоотражение, механическая прочность). Отсутствие деградации кутикулы УФ-облучением указывает на эффективность предлагаемого протокола в качестве защитного покрытия. УФ-облучение вызывает структурные изменения на поверхности волоса, которые проявляются в снижении поверхностной неспецифической адгезии. Жесткость УФ-облученных волос также снижается в сравнении с интактными волосами. Обработка волос гидролизованным кератином увеличивает поверхностную неспецифическую адгезию и жесткость, в то время как обработка композитом кератин/галлуазит приводит к увеличению поверхностной адгезии при снижении жесткости. https://media.kpfu.ru/news/uchenye-kfu-odenut-kazhdyy-volosok-i-vorsinku-v-svoyu-nanoobolochku

 

Публикации

1. - Биологи КФУ оденут каждый волосок и ворсинку в свою нанооболочку Медиа-портал КФУ, - (год публикации - ).

2. Баташева С.Н., Крючкова М.А., Фахруллин Р.Ф., Кавалларо Д., Ладзара Д., Ахатова Ф.С., Нигаматзянова Л.Р., Евтюгин В.В., Фахруллин Р.Ф. Facile Fabrication of Natural Polyelectrolyte-Nanoclay Composites: Halloysite Nanotubes, Nucleotides and DNA Study Molecules, 25(15), 3557 (год публикации - 2020).

3. Кавалларо Д., Милиото С., Коннова С.А., Фахруллина Г.И., Ахатова Ф.С., Ладзара Д., Фахруллин Р.Ф., Львов Ю.М. Halloysite/Keratin Nanocomposite for Human Hair Photoprotection Coating ACS Applied Materials and Interfaces, 12, 24348−24362 (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Получены наноразмерные суперпарамагнитные наночастицы оксида железа. Проведена характеристика гидродинамических свойств наночастиц после стабилизации с использованием некоторых синтетических полиэлектролитов. Показано, что инкубация в присутствии магнитных наночастиц (в диапазоне концентраций) не влияла на морфологию, скорость роста и пролиферацию клеток аденокарциномы легкого (А549). Магнитные наночастицы активно захватываются эндосомами клеток и локализованы в цитоплазме клеток и перинуклеарном пространстве. При этом сохраняется полярность клеток и нормальная морфология ядра, с четко визуализированными ядрышками. Изменения в нормальном ядерно-цитоплазматическом соотношении не наблюдались. C помощью ряда колориметрических тестов установлено, что синтезированные магнитные наночастицы не ингибируют активность внутриклеточных ферментов, пролиферацию и интенсивность мембранного транспорта клеток. С применением метода ДНК-комет показано отсутствие ДНК-повреждающего действия на клетках А549 и фибробластах кожи человека. Полученные данные свидетельствуют о высокой биосовместимости магнитных наночастиц для модификации волос. Получены нанотрубки галлуазита с модифицированной поверхностью и увеличенным объемом внутренней полости для оптимальной загрузки гидрофобных красителей и лекарственных препаратов. Также получены и охарактеризованы гибридные неорганические наночастицы, состоящие из керамических нанотрубок (галлуазит), волокон (сепиолит) и металлических (золото) и оксидных наночастиц (магнетит), синтезированных in situ в полости нанотрубок . Впервые осуществлена модификация поверхности волос магнитными наночастицами. Визуализацию формирования неорганических покрытий осуществляли при помощи темнопольной гиперспектральной и конфокальной лазерной микроскопии. Наилучшее покрытие волос наблюдалось у магнитных частиц, стабилизированных отрицательно-заряженным полиэлектролитом (полистиролсульфонат). После модификации волос при помощи магнитных наночастиц отмечены изменения в шероховатости поверхности, наблюдаются неровности краев и зернистость поверхности чешуек. Установлено, что с увеличением концентрации наночастиц возрастает площадь покрытия волос. Гиперспектральное картирование поверхности волос показало, что наночастицы формируют прерывистый слой слоем, локализуясь между чешуйками кутикулы. Отсутствие продольных и поперечных локальных трещин в кутикуле волоса, подтверждает высокую биосовместимость покрытия. При помощи атомно-силовой микроскопии были определены параметры шероховатости модифицированных волос. Для оценки эффективности покрытия волос были выбраны увеличивающиеся концентрации магнитных частиц, стабилизированных полистиролсульфонатом. Наблюдалось незначительное увеличение частиц на поверхности волос в зависимости от концентрации. Установлено, что магнитно-модифицированные волосы обладают магнитными свойствами в постоянном магнитном поле. Разработано инсектицидное микропокрытие волос животных, формируемое путем самосборки суспендированных нанотрубок галлуазита. Сравнительный анализ полученного покрытия из галлуазита на волосяном покрове близкородственных полуводных (капибары) и сухопутных (морские свинки) млекопитающих позволил установить влияние гидрофобного покрытия слоя волос на эффективность формирования инсектицидных оболочек. Нанотрубки галлуазита были модифицированы инсектицидом (перметрин), эффективность загрузки составила ~5%. Установлено, что благодаря восковому слою на поверхности волос капибары формируется более плотное покрытие из нанотрубок галлуазита, в отличие от волос человека. В условиях отсутствия воска покрытие волос наночастицами галлуазита осуществляется неравномерно, частицы располагались преимущественно в более гидрофобных участках волос между чешуйками кутикулы. Распределение галлуазита на поверхности волос капибары визуализировали с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Площадь покрытия волоса нанотрубками галлуазита составила около 70%, с толщиной 3,0±0,8 мкм. В отличие от волос капибары, более тонкие волосы морских свинок менее гидрофобны. Нанесение галлуазита на волосы морских свинок приводит к покрытию около 50% площади поверхности. Распределение нанотрубок происходит преимущественно по краям кутикулы. При визуализации поперечного сечения волоса наблюдалось покрытие толщиной 1,5±0,3 мкм. Определены параметры топографии поверхности интактных и покрытых наночастицами волос капибар, морских свинок, лошадей и коз, модифицированные галлуазитом. Межкутикулярные пространства на волосах морских свинок обладают более высокой неспецифической адгезией и более низким модулем упругости по сравнению с основной поверхностью кутикулы. Осуществлено картирование проекции адгезии и модуля Юнга волос капибар и морских свинок до и после модификации нанотрубками галлуазита. Установлено, что более высокая неспецифическая адгезия характерна для кутикулы морских свинок, равно как и значительно более высокие значения модуля Юнга. Высвобождение перметрина из нанотрубок происходит стремительно в течение 30 мин, в дальнейшем перметрин высвобождается с постоянной скоростью, 86% вещества высвобождается через 8 часов, 98% высвобождается через 32 часа. Композит галлуазит-перметрин, формируя стабильное покрытие, обеспечивает равномерное распределение инсектицида на волосяном покрове животных. Неорганический слой сохраняется после воздействия нескольких отмывок водным раствором или ПАВ. Для оценки инсектицидных свойств, на шерсть коз наносили композит перметрин-галлуазит и изучали эффекты на живых власоедах коз Damalinia caprae. Выживаемость насекомых исследовали в сравнении со стандартным коммерческим препаратом перметрина. Так как D. caprae тесно связаны с другими представителями рода Damalinia, такими как D. bovis, полученные результаты можно экстраполировать на эктопаразитов других видов сельскохозяйственных животных. Определена долговременная эффективность покрытия волос композитом галлуазит-перметрин после двукратного промывания волос в течение одного месяца. 70% поверхности было покрыто нанотрубками, несущими инсектицид. Наблюдалась длительная инсектицидная активность препарата из-за низкой скорости высвобождения из нанотрубок. Установлено, что стабильное водостойкое покрытие на основе галлуазита обеспечивает достаточное количество лекарственного средства для длительной защиты животных от паразитов. Повторное воздействие паразитов на волосы через четыре недели после обработки раствором перметрина и композитом галлуазит-перметрин показало высокий уровень смертности паразитов и высокую эффективность препарата на основе модифицированного перметрином галлуазита. Для разработки методологии высокопроизводительного анализа и классификации неорганических частиц на поверхности волокон был определены следующие ключевые этапы: реализация одномерной сверточной нейронной сети для классификации трех типов глинистых наноматериалов по их оптическим характеристикам; реализация сверточной нейронной сети U-net для семантической сегментации галлуазита на поверхности волокон человека. Для классификации глинистых наноматериалов на основе их оптических характеристик была подобрана оптимальная методика для сбора и подготовки данных, включающая в себя: сегментацию частиц путем поиска минимальной евклидовой дистанции; стандартизацию спектров для их последующей корректной обработки нейронной сетью; анализ вариативности данных посредством метода главных компонент. С целью автоматизированного анализа полученных данных была подобрана оптимальная архитектура одномерной сверточной нейронной сети для мультиклассовых предсказаний (галлуазит, каолинит, сепиолит и фоновые значения), состоящая из 6 сверточных слоев и полносвязного классификатора. По результатам классификации тестового набора данных, не использовавшегося при обучении, средняя точность модели составила 95,5%, значение F-меры – 0,91, что свидетельствует об эффективности применяемого метода для классификации неорганических наноматериалов. В ходе разработки методологии для оценки покрытия поверхности биологических волокон глинистым наноматериалом были получены данные корреляционной микроскопии, включающие в себя две группы снимков (топография поверхности и интенсивность отраженного света) образцов волокон человека без покрытия и с покрытием из галлуазита. Для предварительной обработки снимков был подобран протокол группового извлечения и совмещения необходимых данных, а также их автоматизированной аннотации. Полученный набор данных затем использовался при обучении сверточной нейронной сети U-net для семантической сегментации изображений. Оценка точности модели U-net проводилась путем классификации тестовых фрагментов и сопоставления результатов с эталонными. Итоговая средняя точность модели составила 90,5%; аккуратность – 0,82; полнота – 0,86; F-мера – 0,84. Впоследствии результаты классификации фрагментов реконструировались в изображение исходного размера и совмещались с исходным снимком в канале интенсивности отраженного света для количественной оценки покрытия наноматериалом поверхности волокна. На основании анализа полученных данных эффективность покрытия галлуазита на реконструированном снимке составила 54,9% от общей поверхности волокна, что хорошо соотносится с данными электронной микроскопии. Таким образом, была разработана методология для автоматизированной семантической сегментации глинистых наноматериалов на поверхности биологических волокон с использованием сверточной нейронной сети U-net. На основе полученных результатов к публикации подготовлены две экспериментальные статьи, одна из которых (разработка инсектицидной формуляции) опубликована в журнале Pharmaceutics, вторая (по магнитной модификации волос) находится на стадии рассмотрения редакцией журнала. Кроме того, был осуществлен анализ литературы по публикациям в рамках данного направления, подготовлены и опубликованы обзорные статьи по инженерии поверхности волос, методике характеристики наноразмерных частиц с помощью темнопольной гиперспектральной микроскопии, наноархитектонике для модификации поверхностей живых объектов (клеток, многоклеточных структур, волос) и по конструированию лекарственных наноконтейнеров в журналах Applied Surface Science Advances, Science of the Total Environment, RSC Advances, Journal of Materials Chemistry B.

 

Публикации

1. - Наночастицы защитят животных от кожных паразитов Медиа-портал КФУ, - (год публикации - ).

2. - Создано новое лекарство от кожных паразитов у животных Год науки и технологий в РФ 2021, - (год публикации - ).

3. - Создано новое лекарство от кожных паразитов у животных Сайт РНФ, - (год публикации - ).

4. - Nanoparticles to protect animals from skin parasites Eurekalert, - (год публикации - ).

5. - anoparticles to protect animals from skin parasites Science X, - (год публикации - ).

6. - Nanoparticles to protect animals from skin parasites ScienMag, - (год публикации - ).

7. Арига К., Фахруллин Р.Ф. Nanoarchitectonics on living cells RSC Advances, V. 11, P. 18898-18914 (год публикации - 2021).

8. Гурьянов И.Д., Науменко Е.А., Фахруллин Р.Ф. Hair surface engineering: Combining nanoarchitectonics with hair topical and beauty formulations Applied Surface Science Advances, V 7, P. 100188 (год публикации - 2021).

9. Ишмухаметов И.Р. Количественный анализ деления клеток человека с применением алгоритмов машинного обучения "Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2021»" - Сборник тезисов, Секция «Биоинформатика», стр. 1-2 (год публикации - 2021).

10. Персано Ф., Баташева С.А., Фахруллина Г.И., Джильи Д., Лепоратти С., Фахруллин Р.Ф. Recent advances in the design of inorganic and nano-clay particles for the treatment of brain disorders Journal of Materials Chemistry B, V. 9, P. 2756-2784 (год публикации - 2021).

11. Рахман Н., Скотт Ф.Х., Львов Ю.М., Ставицкая А.В., Ахатова Ф.С., Коннова С.А., Фахруллина Г.И., Фахруллин Р.Ф. Clay Nanotube Immobilization on Animal Hair for Sustained Anti-Lice Protection Pharmaceutics, V.13(9), P. 1477 (год публикации - 2021).

12. Фахруллин Р.Ф. Керамические наноконтейнеры для косметической и терапевтической модификции поверхности волос человека и животных III Школа-конференция для молодых ученых «Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине: фундаментальные проблемы и перспективы» (с международным участием) (Казань, 2021): тезисы докладов. – Казань: ИОФХ им. А.Е. Арбузова ФИЦ КазНЦ РАН, стр. 16 (год публикации - 2021).

13. Фахруллин Р.Ф. Self-assembly of halloysite nanoclay for hair surface engineering International Workshop on Clay Minerals in Healthcare Applications - Abstracts, http://www.clays.org/wp-content/uploads/2021/09/Fakhrullin.docx (год публикации - 2021).

14. Фахруллин Р.Ф., Нигаматзянова Л.Р., Фахруллина Г.И. Dark-field/hyperspectral microscopy for detecting nanoscale particles in environmental nanotoxicology research Science of The Total Environment, V. 772, P. 145478 (год публикации - 2021).