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 20-63-47096

НазваниеИсследование способов улучшения пьезоэлектрических свойств биоматериалов на основе полиоксиалканоатов для контролируемого воздействия на живые клетки и ткани

РуководительСурменева Мария Александровна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2020 - 2023

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации (междисциплинарные проекты)»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаполиоксиалканоаты, поли-3-оксибутират, пьезоэлектрический отклик, d33 коэффициент, пьезосиловая микроскопия, Azotobacter, биосинтез, кристалличность, биодеградация, пробиотические бактерии, мезенхимальные стволовые клетки, пролиферация, кондуит, электроформование, периферический нерв, регенерация

Код ГРНТИ81.09.03, 76.09.41


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Некоторые полимеры медицинского назначения обладают пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способны генерировать электрическое поле в ответ на механическую деформацию материала. Пьезоэлектрическими свойствами обладают и полиоксиалканоаты (ПОА), биоразлагаемые и биосовместимые полимеры, широко используемые для изготовления различных биодеградируемых медицинских изделий, например, шовных нитей, пластин и винтов для ортопедии, эндопротезов для колопроктологии и герниопластики и других изделий. Известно также, что пьезоэлектрический эффект играет значительную роль в процессе регенерации живых тканей, например, костной ткани. Однако, механизмы влияния пьезоэлектрического эффекта тканей на их регенерацию остаются недостаточно изученными. Кроме того, исследование влияния пьезоэлектрического эффекта на клетки и ткани приобретает особую актуальность в связи с бурным развитием биоинженерных направлений, связанных с интеграцией электронных устройств с живыми тканями, прежде всего, с нервной. Совершенно неизученным является и вопрос роли электромагнитных эффектов, которые способны проявлять многие бактерии, для жизнедеятельности бактерий микробиоты и при их взаимодействии с организмом-хозяином. Тогда как многие бактерии способны к биосинтезу природных ПОА, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, и наночастиц магнетита, обладающих магнитными свойствами. В основном в медицине используются химически синтезируемые ПОА, но у них имеется природный предшественник - бактериальный поли-3-оксибутират (ПОБ), который также является пьезоэлектриком. ПОБ и его сополимеры получают биотехнологическим путем, который позволяет задавать и контролировать в процессе биосинтеза физико-химические свойства биополимера в узких пределах, а также достичь высокой степени их чистоты для биомедицинского применения. Однако, относительно низкий пьезоэлектрический отклик ПОБ сильно ограничивает применимость этого полимера как для изготовления изделий, в которых этот эффект используется для терапевтических целей, так и для создания устройств, предназначенных для изучения влияния пьезоэлектрического эффекта на клетки и ткани. Для увеличения пьезоэлектрического отклика разработаны композиты на основе органических полимеров, например, ПОБ и полианилина, композиты с пьезоэлектрической керамикой - цирконатом-титанатом свинца. Но у всех этих композитов есть серьезные недостатки, связанные, в первую очередь, с тем, что они являются небиодеградируемыми и даже токсичными (особенно в случае наличия свинца), что может оказывать существенное влияние на механизмы регенерации тканей или поведения клеток. Это обуславливает поиск новых биосовместимых и биодеградируемых материалов с контролируемым в широком диапазоне пьезооткликом, в том числе в случае наличия магнитовосприимчивой компоненты с использованием внешнего магнитного поля. Целью данного проекта является комплексное исследование пьезоэлектрических свойств ПОА и создание на их основе композитных биоматериалов с улучшенными пьезоэлектрическими свойствами для исследования контролируемого воздействия пьезоэффекта на рост бактерий и клеток млекопитающих и регенерацию нервной и костной тканей. Для того, чтобы выяснить природную роль пьезоэлектрических свойств полиоксиалканоатов у бактерий, исследовать их способность влиять на рост клеток и регенерацию тканей, разобраться во взаимосвязи пьезоэлектрических и других их свойств полимеров (структура, молекулярный состав, физико-механические свойства), исследовать влияние биодеградации полиоксиалканоатов на пьезоэлектрические свойства, получить композиты полимеров с увеличенными пьезоэлектрическими константами за счет использования магнитных нанонаполнителей, исследовать влияние внешнего магнитного поля на пьезоотклик полученных композитов ПОА, разработать изделие, способное стимулировать регенерацию тканей при помощи изменения поверхностного заряда (пьезоэлектрического эффекта), т.е. для решения фундаментальных и прикладных задач, обладающих актуальностью и новизной в области исследования пьезоэлектрических свойств, требуется реализация комплексного междисциплинарного проекта. Такой междисциплинарный проект может быть проведен только при объединении научно-технических заделов и компетенций, а также использовании уже полученных первичных совместных результатов двух исследовательских групп – группы, специализирующейся в области биологии и биоинжененерии с кафедры биоинжененерии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, обладающей опытом биосинтеза ПОА с различными свойствами, исследования их биодеградации, исследования культивирования клеток на этих биополимерах и создания различных изделий на их основе, в т.ч. скэффолдов для тканевой инженерии, исследования функционирования полимерных изделий на моделях заболеваний и дефектов тканей на лабораторных животных; и из Томского политехнического университета, обладающего значительным опытом получения и исследованием скэффолдов на основе различных пьезополимерных материалов и пленок (например, PVDF, PVDF-TrFE и т.д.), в том числе композитных наноструктурированных с улучшенным пьезооткликом, а также опытом выполнения научных исследований пьезоэлектрических свойств различных материалов, пленок и покрытий с использованием различных методик и подходов, включая пьезосиловую микроскопию. Выполнение этого междисциплинарного проекта будет осуществляться на различных уровнях: молекулярном (структура и свойства полимеров), надмолекулярном (нано- и микроструктура полимерных изделий), клеточном (исследование роста бактерий и клеток млекопитающих in vitro) и тканевом (исследование регенерации тканей in vivo). В этом проекте также будут сочетаться фундаментальные исследовательские и инженерные аспекты: для проведения запланированных фундаментальных биологических исследований необходима разработка установок для изучения влияния пьезоэлектрического эффекта на рост клеток in vitro и регенерацию тканей in vivo, а также полимерных изделий биомедицинского назначения – скэффолда для восстановления костной ткани и кондуита для регенерации периферического нерва, изготовленные при помощи технологии электроспиннинга. Для исследования природной роли пьезоэлектрических свойств ПОА будут изучены пьезоэлектрические свойства биомассы штамма-продуцента ПОБ и исследовано влияние пьезоэлектрического эффекта на рост бактерий микробиоты кишечника на пленках из ПОБ и его сополимеров. Для исследования взаимосвязи пьезоэлектрических свойств ПОА с его надмолекулярной структурой и другими физико-химическими свойствами будет проведен контролируемый биосинтез ПОБ и его сополимеров и получены серии экспериментальных образцов полимеров с заданными физико-химическими свойствами, что ранее практически не проводилось для таких исследований. В ходе комплексного исследования физико-химических свойств и надмолекулярной структуры полученных ПОА будет наработана обширная база экспериментальных данных, которая позволит выявить закономерности изменения величины пьезоотклика ПОА от других основных параметров, таких как физико-химические свойства: кристалличность, смачиваемость, модуль упругости и др. Будет проведено комплексное исследование биодеградации образцов полимеров и композитов на их основе в различных условиях для выяснения закономерностей изменения пьезоэлектрических свойств полимеров в процессе их биодеградации. Для улучшения пьезоэлектрических свойств биоматериалов на основе ПОА для контролируемого воздействия на живые клетки и ткани будут получены их композиты с магнитными наполнителями. В качестве магнитного наполнителя будут использованы модифицированные магнетитом двумерные нанопластинки оксида графена (GO-Fe3O4), которые обладают непроводящими диэлектрическими свойствами, а также модифицированные магнетитом нанопластинки восстановленного оксида графена, который является проводящим материалом (rGO-Fe3O4). В ходе реализации проекта планируется исследовать и установить физические механизмы влияния магнитного наполнителя и его концентрации, которые позволяют улучшить пьезоэлектрический отклик в широком диапазоне в зависимости от степени кристалличности полимерной фазы, количества аморфной фазы, модуля Юнга и диэлектрической проницаемости, что позволит получить биоматериалы с контролируемыми пьезоэлектрическими свойствами. Таким образом, разработка в рамках данного проекта перечисленных выше материалов обусловлено необходимостью улучшения физико-механических и пьезоэлектрических свойств композитов на основе ПОА. В случае GO-Fe3O4 или rGO-Fe3O4 в пьезополимерной матрице ПОА, использование внешнего магнитного поля позволит прецизионно изменять и контролировать значение поверхностного заряда и одновременно оценивать реакцию клеток и тканей. Магнитное поле проникает в клетки и ткани, что позволит в режиме реального времени контролировать механизмы электростатического взаимодействия между биологическими тканями и имплантатом. Будут получены результаты корреляции теоретических и экспериментальных исследований о влиянии внешних магнитных полей на пьезоотклик композитных пленок, а также на величину внутренних микронапряжений, определяющих механизмы поляризации и величину пьезоотклика и генерируемого поверхностного потенциала. Будут получены результаты моделирования с использованием метода конечных элементов (Comsol®) о влиянии химического, фазового и молекулярного состава композитов на электрофизические характеристики (пьезопотенциал) и физико-механические (модуль Юнга, прочность на разрыв). Таким образом, в рамках реализации проекта будут разработаны научные основы физических механизмов синтеза новых функциональных композитных пьезоматериалов, пленок и скэффолдов на их основе, в том числе полученных с использованием технологии электроформования. Полученные материалы на основе ПОА с улучшенными физико-механическими и пьезоэлектрическими свойствами будут использованы в качестве экспериментального инструмента для исследования контролируемого влияния пьезоэффекта на клетки млекопитающих различных типов: фибробласты, опухолевые, мезенхимальные стволовые и нейроноподобные клетки, чтобы выявить наиболее широкий спектр биологического ответа. Разработка экспериментальных моделей повреждения тканей, наиболее чувствительных к влиянию пьезоэлектрического эффекта биоматериалов: нервной и костной, позволит выяснить, каким образом пьезоэлектрический эффект ПОА влияет на регенерацию этих тканей. Для этого будут использованы разработанные в ходе проекта изделия, имеющие перспективы широкого клинического использования: скэффолд, полученный методом электроспиннинга и кондуит на его основе. Для улучшения взаимодействия научных групп, обсуждения полученных данных, обучения методикам, разработанным и применяемым в МГУ и ТПУ, и использования высокотехнологичного оборудования в обоих университетах, помимо написания совместных научных публикаций в высокорейтинговых научных изданиях, нами запланированы командировки сотрудников, аспирантов и студентов ТПУ в МГУ, и, соответственно, МГУ в ТПУ, проведение совместных семинаров и практических занятий, совместное участие в конференциях, разработка учебных программ, совместное взаимодействие со СМИ.

Ожидаемые результаты
Этап 1 (2020 г.). Получение полиоксиалканоатов (ПОА), композитов на их основе и исследование их физико-химических свойств. МГУ, 04 Биология и науки о жизни: 1.1. Акты получения ПОА с различными характеристиками. Будут получены партии бактериальных ПОА: поли-3-оксибутирата (ПОБ) и его сополимеров с 3-оксивалератом, 4-метил-3-оксивалератом и полиэтиленгликолем с различными физико-химическими характеристиками (мономерным составом, молекулярной массой). Для получения полимеров будет использована контролируемая методика биосинтеза ПОБ и его сополимеров биомедицинского назначения. Будет проведено выделение и очистка полученных ПОА из биомассы штамма-продуцента этих полимеров. Для сравнения будут закуплены синтетические полиоксиалканоаты: полилактиды, полигликолиды, полилактид-ко-гликолиды, поликапролактон с различными физико-химическими характеристиками (мономерный состав, молекулярная масса). 1.2. Методика приготовления и акты получения экспериментальных образцов биомассы бактериального продуцента ПОА для исследования ее пьезоэлектрических свойств. Будет разработана методика обработки биомассы штамма-продуцента ПОА из рода Azotobacter с бактериальными клетками, накопившими поли-3-оксибутират и его сополимеры, и получены экспериментальные образцы для исследования ее пьезоэлектрических свойств. 1.3. Получение экспериментальных образцов ПОА с различными характеристиками. Будут получены серии стандартных экспериментальных образцов ПОА в виде пленок/пластин, различающихся по толщине и шероховатости поверхности. 1.4. Описание экспериментальной модели дефекта периферического нерва. Будет разработана экспериментальная модель дефекта периферического нерва (седалищного нерва) на крысах с использованием хирургических методов. ТПУ, 03 Химия и науки о материалах: 1.1. Методика синтеза 2Д нанопластинок на основе диэлектрического оксида графена (GO) и проводящего восстановленного оксида графена (rGO), модифицированных магнетитом для придания двумерному композиту магнитных свойств, Будут получены 2Д нанопластинки на основе диэлектрического GO и проводящего rGO, синтезированных с использованием улучшенного метода Хаммерсона с последующим осаждением наночастиц магнетита (Fe3O4) для придания композиту магнитных свойств. Будут получены гибридные пленки и скэффолды на основе поли-3-оксиалканоатов с добавлением неорганических наполнителей для улучшения пьезоотклика. В результате выполнения данной задачи будет исследована морфология (включая распределение магнетита по поверхности 2-Д пластинок GO и rGO), установлена кристаллическая структура полученных двумерных гибридных магнитных нанопластинок методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеновского фазового анализа (РФА) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), что позволит установить формирующиеся связи на границе раздела GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4. 1.2. Методика и акты получения пьезоэлектрических композитов на основе ПОА в форме пленок и скэффолдов методом электроформования и спин-кастинга, в том числе при воздействии внешнего магнитного поля. Будут исследованы способы получения пленок и скэффолдов на основе ПОА, в том числе композитных, содержащих различное количество магнетита. Будут установлены способы функционализации поверхности двумерных материалов наночастицами магнетита. Будут подготовлены акты по синтезированным материалам – пленкам и скэффолдам. 1.3. Результаты исследования химической, молекулярной и кристаллической структуры полученных композитов на основе ПОА. Будут получены данные о влиянии концентрации rGO-Fe3O4 или GO-Fe3O4 в пьезополимерной матрице на кристалличность композита, содержание в нем аморфной фазы, молекулярных связей, в частности установлены механизмы взаимодействия между полимерными цепями и магнитным наполнителем. Будут установлены физические механизмы влияния вышеперечисленных свойств на значение генерируемого поверхностного заряда и пьезотклик. 1.4. Результаты исследования электрофизических и пьезоэлектрических свойств композитов на основе ПОА при воздействии внешнего магнитного поля. Будут установлены физические механизмы формирования пьезоэлектричекого заряда при воздействии внешнего магнитного поля, под влиянием которого двумерные нанопластинки будут создавать внутренние микронапряжения в зависимости от направления и величины поля. В случае необходимости будут получены результаты оптимизации количества магнитного двумерного наполнителя в пьезополимерной матрице для получения более высоких значений пьезоотклика. Будет установлено влияние магнитного диэлектрического (GO) и проводящего наполнителей на молекулярную и кристаллическую структуры ПОА, а также образующиеся связи на границах раздела ПОА/GO-Fe3O4 и ПОА/rGO-Fe3O4. Будут исследованы вольт-амперные характеристики пленок и композитных материалов при воздействии внешнего магнитного поля. Будут получены результаты исследований пьезоотклика, а также величины поверхностного заряда в зависимости от количества и типа наполнителя в пьезополимерной матрице. Будут разработаны рекомендации по увеличению пьезоотклика и контролю за поверхностным пьезопотенциалом. 1.5. Результаты исследования влияния магнитных включений на физико-механические свойства композитов на основе ПОА Будут установлены механизмы изменения модуля Юнга чистых ПОА и композитов на их основе на физико-механические свойства в зависимости от типа двумерного наполнителя, его концентрации и концентрации магнетита. Будут установлены способы получения материалов, которые наиболее перспективны для дальнейших исследований. 1.6. Результаты моделирования с использованием метода конечных элементов поверхностного потенциала в зависимости от состава и свойств ПОА и композитов на их основе. Будут получены результаты моделирования с использованием метода конечных элементов на основе анализа данных по эффективному и доменному пьезоэлектрическому отклику (COMSOL Multiphysics®) и установлено влияние количества и типа наполнителя в пьезополимерной матрице на величину пьезозаряда (пьезопотенциала), генерируемого на поверхности композита. Общие результаты (с описанием синергетического эффекта от междисциплинарного подхода). 1.1. Программа экспериментальных исследований. Будет разработана программа экспериментальных исследований на весь период проекта: совместных и по отраслям знания «04 Биология и науки о жизни» и «03 Химия и науки о материалах». 1.2. Результаты исследования структуры и молекулярного состава полученных образцов ПОА. Для исследования структуры и состава полученных образцов ПОА будут использованы методы спектроскопии ядерного магнитного резонанса, вискозиметрии, дифференциальной сканирующей калориметрии, ИК-спектроскопии, краевого угла смачивания и при необходимости другие методы для анализа мономерного состава, молекулярной массы, кристалличности, температур плавления и гидрофильности полимеров. В результате этого исследования будет создана единая база экспериментальных данных, в которой данные по исследованию различных свойств ПОА (молекулярная масса, степень кристалличности, температура плавления, контактный угол смачивания водой) будут соотнесены с данными по характеристикам их микробиологического биосинтеза (состав культуральной среды, урожай биомассы, содержание полимера в клетках и др.). 1.3. Результаты исследования пьезоэлектрических свойств пленок ПОА. Будет исследован пьезоэлектрический отклик пленок ПОА. Будет установлена корреляция между ключевыми свойствами (соотношение между кристаллической и аморфной фазами, шероховатость поверхности) пленок полимеров и пьезооткликом. Будут отобраны способы получения пленок полимеров с заранее заданными значениями пьезоотклика. 1.4. Отчет о патентных исследованиях по ГОСТ Р 15.011-96 в области получения полимеров с заданными пьезоэлектрическими свойствами. Объединение опыта и знаний научных групп из МГУ и ТПУ позволит провести комплексный анализ экспериментальных данных патентов и научно-технической литературы и выбрать наиболее оптимальные подходы для получения полимерных материалов с улучшенными пьезоэлектрическими свойствами. 1.5. Отчеты о командировках сотрудников ТПУ и Биологического факультета МГУ. Командировка 3-х сотрудников Биологического факультета МГУ в ТПУ и, соответственно, 3-х сотрудников ТПУ на Биологический факультет МГУ на срок не менее 2-х недель. Эти командировки позволят наилучшим образом координировать исследования по проекту, будут способствовать взаимному освоению методов и высокотехнологичного оборудования, используемых в организациях-партнерах, позволят сформировать общие исследовательские подходы и единый научный язык междисциплинарного общения. 1.6. Две статьи в рецензируемых российских или зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science) или «Скопус» (Scopus). Две совместные статьи на научный коллектив из расчета минимум по 1 на каждую научную группу. Объединение научно-технического задела и полученных в ходе выполнения проекта данных обеих научных групп позволит повысить качество совместных публикаций в областях биологии и химии/материаловедении, а также междисциплинарных статей. Этап 2 (2021 г.). Исследование пьезоэлектрических свойств ПОА и композитов на их основе в результате биодеградации. МГУ, 04 Биология и науки о жизни: 2.1. Результаты исследования цитотоксичности пленок и скэффолдов из композитов ПОА. Будет исследована цитотоксичность пленок и скэффолдов из композитов ПОА с GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4 на культурах фибробластов и мезенхимальных стволовых клетках при помощи метода МТТ или его аналога. 2.2. Описание экспериментальных моделей биодеградации ПОА и композитов на их основе. Будет разработана система экспериментального моделирования биодеградации, включающая различные экспериментальные модели биодеградации: гидролитическая деградация в модельной среде, ферментативная деградация in vitro, биодеградация при имплантации лабораторным крысам in vivo. 2.3. Результаты исследования тканевой реакции на имплантацию пленок и скэффолдов из композитов ПОА. Будет исследована тканевая реакция при подкожной имплантации на гибридные пленки из пленок и скэффолдов из композитов ПОА с GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4 на лабораторных крысах in vivo при использовании гистологических методов. ТПУ, 03 Химия и науки о материалах: 2.1. Результаты исследований пьезоэлектрических свойств биомассы Azotobacter chroococcum. Будет проведено исследование пьезоэлектрических свойств и получены результаты пьезоотклика биомассы штаммов-продуцентов из рода Azotobacter с накопленным в клетках поли-3-оксибутиратом или его сополимерами. 2.2. Результаты исследования топографии и распределения электрического потенциала/заряда по поверхности различных образцов ПОА и композитов на их основе в результате биодеградации in vitro. Будут получены результаты исследований топографии, диаметра волокон (в случае скэффолдов), поверхностного заряда, пьезоотклика при помощи следующих методов: растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии (АСМ), Кельвин-зондовой силовой микроскопии (КЗСМ), пьезосиловой микроскопии (ПСМ). Будут установлены механизмы влияния топографии, молекулярного состава и структуры экспериментальных образцов на значение пьезозаряда (пьезотклика). Будут получены результаты исследований пьезоотклика полимерных пленок, композитных пьезопленок и скэффолдов на основе композитов ПОА в составе с магнитовоприимчивой компонентой в процессе биодеградации in vitro. Будут установлены структурные изменения в полимерных пленках и скэффолдах в процессе биодеградации in vitro. Будет установлен вклад электростатики для его компенсации и получения достоверных результатов силовой пьезоэлектрической микроскопии. Будет установлено изменение шероховатости поверхности, электрического потенциала/заряда поверхности и физико-механических свойств, демонстрирующих влияние GO и rGO, модифицированных магнетитом – Fe3O4. 2.3. Результаты качественной оценки вертикального (out of plane, d33) и латерального пьезоэлектрического отклика (in plane, d15, d31 и т.д.) композитов ПОА, а также полной трехмерной реконструкции распределения вектора поляризации в нанометровом масштабе в результате биодеградации in vitro. Будут получены результаты сравнительного анализа различных пьезоэлектрических коэффициентов (вертикального и латеральных) и установлены механизмы их влияния на значения поверхностного пьезозаряда (пьезопотенциала) в зависимости от концентрации GO-Fe3O4 или rGO-F3O4 (или концентрации магнетита на поверхности нанопластинок GO или rGO). Общие результаты (с описанием синергетического эффекта от междисциплинарного подхода). 2.1. Результаты исследования морфологии и физико-механических свойств пленок ПОА и скэффолдов на основе композита ПОА после биодеградации in vitro. Результаты установления корреляции между структурой и физико-механическими свойствами полученных пленок ПОА различного химического состава. Для исследования морфологии полученных образцов пленок ПОА будут использованы световая, растровая электронная микроскопия и АСМ. Структура материалов будет исследована с использованием рентгенофазового анализа. Для исследования физико-химических свойств полученных ПОА в процессе биодеградации с использованием разработанных моделей будут использованы методы спектроскопии ядерного магнитного резонанса, вискозиметрии, дифференциальной сканирующей калориметрии, контактного угла смачивания для анализа мономерного состава, молекулярной массы, кристалличности, температур плавления и гидрофильности полимеров. Исследования физико-механических характеристик будет выполнено с помощью испытаний на растяжение (модуль Юнга, прочность на растяжение). Корреляция физико-механических свойств скэффолдов (модуль Юнга) с электрофизическими (диэлектрическая проницаемость) и пьезоэлектрическими (пьезоотклик, значение пьезоэлектрических констант). Будут исследованы механизмы изменения физико-механических свойств пленок и скэффолдов в результате биодеградации in vitro. Объединение компетенций научных групп МГУ и ТПУ в областях экспериментального моделирования биодеградации полимеров и комплексного исследования их физико-химических свойств позволит получить обширную базу данных по изменению физико-химических свойств полимеров в процессе их биодеградации и выявить механизмы и закономерности этих изменений. 2.2. Отчет о командировках сотрудников ТПУ и Биологического факультета МГУ. Командировка 3-х сотрудников Биологического факультета МГУ в ТПУ и, соответственно, 3-х сотрудников ТПУ на Биологический факультет МГУ на срок не менее 2 недель. Эти командировки позволят наилучшим образом координировать исследования по проекту, будут способствовать взаимному освоению методов и высокотехнологичного оборудования, используемых в организациях-партнерах, позволят сформировать общие исследовательские подходы и единый научный язык междисциплинарного общения. 2.3. Четыре статьи в рецензируемых российских или зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science) или «Скопус» (Scopus). Четыре совместных статьи на научный коллектив из расчета минимум по 2 на каждую научную группу. Объединение научно-технического задела и полученных в ходе выполнения проекта данных обеих научных групп позволит повысить качество совместных публикаций в областях биологии и химии/материаловедении, а также междисциплинарных статей. Этап 3 (2022 г.). Разработка методов для исследования влияния пьезоэлектрических свойств композитов ПОА на живые клетки и ткани. МГУ, 04 Биология и науки о жизни: 3.1. Описание экспериментальной модели дефекта периферического нерва с использованием кондуита для роста нерва на основе композита ПОА. Будет разработана экспериментальная модель дефекта периферического нерва (седалищного нерва) на крысах для исследования влияния пьезоэлектрического эффекта на его регенерацию нерва с использованием разработанного кондуита для роста нерва из композита на основе ПОБ или его сополимера. 3.2. Описание экспериментальной модели дефекта кости с использованием скэффолдов на основе композита ПОА. Будет разработана экспериментальная модель некритического дефекта кости на крысах для исследования влияния пьезоэлектрического эффекта на регенерацию костной ткани крысы с использованием скэффолдов на основе ПОБ или его сополимера. 3.3. Результаты исследования влияния пьезоэлектрического эффекта скэффолдов на основе композитов ПОА на пробиотические бактерии. Исследование воздействия механических и электрических стимулов, вызванных пьезоэлектрическим эффектом полученных скэффолдов на основе композитов ПОБ или его сополимера с GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4, на жизнеспособность и рост пробиотических бактерий родов Escherichia, Lactobacillus и Bifidobacterium с использованием разработанных методик. ТПУ, 03 Химия и науки о материалах: 3.1. Результаты исследования магнитной доменной структуры разработанных композитов ПОА, содержащих GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4, Будут получены результаты исследований влияния магнитного наполнителя на механизмы формирования пьезозаряда методом магнитно-силовой микроскопии (МСМ) с высокой разрешающей способностью (до 10 нм), в том числе в результате биодеградации in vitro. Будет также установлено влияние содержания типа наполнителя (GO или rGO, модифицированных Fe3O4), его количества и ориентации магнитовосприимчивой фазы в пьезополимерной матрице в зависимости от направления внешнего магнитного поля на механизмы формирования поверхностного пьезозаряда различной величины и полярности. 3.2. Результаты исследования влияния ферментативной биодеградации in vitro, выполненной в течение периода от нескольких дней до 6 месяцев, на механические, магнитные и пьезоэлектрические свойства композитов на основе ПОА с различным содержанием двумерных наполнителей GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4. С использованием методов наноиндентирования, статического растяжения, лазерной интерферометрии, МСМ и ПСМ (реализованных на атомно-силовом микроскопе) будут получены результаты исследований по влиянию процесса ферментативной биодеградации и содержания магнитовосприимчивого наполнителя на значение пьезоотклика композитных пленок и скэффолдов. Будут даны рекомендации по областям использования разработанных материалов в определенных биомедицинских приложениях. Результаты сравнительного анализа магнитных и электромеханических свойств композитных полимерных материалов до и после ферментативной биодеградации с целью разработки математической модели в программной среде COMSOL Multiphysics® для прогнозирования клеточной реакции в зависимости от времени биодеградации исследуемого материала. 3.3. Методика изготовления кондуита для роста нервов на основе композита ПОА. Разработка кондуита для регенерации периферических нервов на основе ПОБ или его сополимера с использованием технологии электроспиннинга. Будут получены варианты кондуитов с различной пористостью, геометрических размеров для последующих сравнительных тестов. Будут исследованы пьезоэлектрические свойства отдельных волокон кондуита и проведена корреляция значений пьезоотклика со случаем пористых скэффолдов и пленок идентичного химического состава и структуры. Общие результаты (с описанием синергетического эффекта от междисциплинарного подхода). 3.1. Методика исследования влияния пьезоэлектрического эффекта скэффолдов на основе композитов ПОА на пробиотические бактерии. Будет разработана методика, с использованием которой можно исследовать воздействие механических и электрических стимулов, вызванных пьезоэлектрическим эффектом полученных скэффолдов на основе композитов ПОБ или его сополимера с GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4, на жизнеспособность и рост пробиотических бактерий родов Escherichia, Lactobacillus и Bifidobacterium. Разработка этой методики возможна только при объединении усилий научных групп МГУ и ТПУ, т.к. предполагает одновременно разработку установки для реализации пьезоэлектрического эффекта и культивирование бактерий на полученных ранее скэффолдах. 3.2. Методика исследования влияния пьезоэлектрического эффекта скэффолдов и кондуита на основе композитов ПОА на клетки млекопитающих. Будет разработана методика, с использованием которой можно исследовать воздействие механических и электрических стимулов, вызванных пьезоэлектрическим эффектом полученных скэффолдов и кондуита на основе композитов ПОБ или его сополимера с GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4, на жизнеспособность, пролиферацию и фенотип клеток млекопитающих: фибробластов, опухолевых, мезенхимальных стволовых и нейроноподобных клеток. Разработка этой методики возможна только при объединении усилий научных групп МГУ и ТПУ, т.к. предполагает одновременно разработку установки для реализации пьезоэлектрического эффекта и культивирование различных клеток млекопитающих на полученных ранее скэффолдах. 3.3. Отчет о командировках сотрудников ТПУ и Биологического факультета МГУ. Командировка 3-х сотрудников Биологического факультета МГУ в ТПУ и, соответственно, 3-х сотрудников ТПУ на Биологический факультет МГУ на срок не менее 2 недель. Эти командировки позволят наилучшим образом координировать исследования по проекту, будут способствовать взаимному освоению методов и высокотехнологичного оборудования, используемых в организациях-партнерах, позволят сформировать общие исследовательские подходы и единый научный язык междисциплинарного общения. 3.4. Восемь статей в рецензируемых российских или зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science) или «Скопус» (Scopus). Восемь совместных статей на научный коллектив из расчета минимум по 4 на каждую научную группу. Объединение научно-технического задела и полученных в ходе выполнения проекта данных обеих научных групп позволит повысить качество совместных публикаций в областях биологии и химии/материаловедении, а также междисциплинарных статей. Этап 4 (2023 г.). Исследование влияния пьезоэлектрических свойств композитов ПОА на живые клетки и ткани. МГУ, 04 Биология и науки о жизни: 4.1. Результаты исследования влияния пьезоэлектрического эффекта скэффолдов и кондуита на основе композитов ПОА на клетки млекопитающих. Будет проведено исследование воздействия внешнего магнитного поля на пьезоэлектрический эффект скэффолдов и кондуита на основе композитов ПОБ или его сополимера с GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4, на жизнеспособность, пролиферацию и фенотип клеток млекопитающих: фибробластов, опухолевых, мезенхимальных стволовых и нейроноподобных клеток с использованием разработанных методик. 4.2. Результаты исследования опосредованного влияния внешнего магнитного поля на рост клеток млекопитающих на скэффолдах и кондуите на основе композитов ПОА. Будет проведено исследование воздействия внешнего магнитного поля на пьезоэлектрический эффект и изменение поверхностного заряда скэффолдов на основе композитов ПОБ или его сополимера с GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4, на жизнеспособность, пролиферацию и фенотип клеток млекопитающих: фибробластов, опухолевых, мезенхимальных стволовых и нейроноподобных клеток с использованием разработанных методик. ТПУ, 03 Химия и науки о материалах: 4.1. Результаты оптимизации параметров процесса электроспиннинга для получения кондуита заданной структуры, геометрических параметров на основе чистых пьезополимерных матриц. Будут исследованы физико-механические свойства кондуитов (прочность на растяжение, модуль Юнга). Будут разработаны рекомендации по подбору оптимальных параметров получения кондуитов заданной структуры с необходимыми физико-механическими свойствами. Будут получены результаты оптимизации содержания наполнителей GO-Fe3O4 и rGO-Fe3O4 на значение пьезоотклика композитных пленок и скэффолдов для контролируемой регенерации периферического нерва и костной ткани крысы. 4.2. Результаты исследования пьезоэлектрических свойств полученных кондуитов на основе композита ПОА, их структуры и физико-механических характеристик. Разработка рекомендаций по улучшению пьезоотклика в случае материалов со сложной геометрией. Будет установлена корреляция между физико-механическими, электрофизическими и пьезоэлектрическими свойствами трехмерных кондуитов и двумерных пленок или скэффолдов идентичного состава, структуры и пористости. Общие результаты (с описанием синергетического эффекта от междисциплинарного подхода). 4.1. Результаты исследования влияния пьезоэлектрического эффекта скэффолдов на основе композитов ПОА на регенерацию периферического нерва in vivo. Будет проведено исследование влияния неинвазивной электрической стимуляции с использованием пьезоэлектрического эффекта кондуита на основе композита ПОБ или его сополимера на регенерацию периферического нерва крысы. Проведение этого исследования возможно только при объединении усилий научных групп МГУ и ТПУ, т.к. предполагает одновременно разработку установки для реализации пьезоэлектрического эффекта in vivo и моделирование дефекта нервной ткани на лабораторных крысах с использованием разработанного кондуита, полученного методом электроспиннинга. Проведение совместного экспериментального исследования позволит получить данные наиболее оптимальным способом, значительно снизить риски, своевременно исправлять возникающие ошибки, усовершенствовать эксприментальную установку при необходимости и правильно интерпретировать полученные данные. 4.2. Результаты исследования влияния пьезоэлектрического эффекта скэффолдов на основе композитов ПОА на регенерацию костной ткани in vivo. Будет проведено исследование влияния электрической стимуляции с использованием пьезоэлектрического эффекта скэффолда на основе композита ПОБ или его сополимера на регенерацию костной ткани крысы. Проведение этого исследования возможно только при объединении усилий научных групп МГУ и ТПУ, т.к. предполагает одновременно разработку установки для реализации пьезоэлектрического эффекта in vivo и моделирование дефекта костной ткани на лабораторных крысах с использованием разработанного скэффолда, полученного методом электроспиннинга. Проведение совместного экспериментального исследования позволит получить данные наиболее оптимальным способом, значительно снизить риски, вовремя исправлять возникающие ошибки, усовершенствовать эксприментальную установку при необходимости и правильно интерпритировать полученные данные. 4.3. Разработка рекомендаций по области использований скэффолдов и кондуитов с различными свойствами и значением пьезоотклика. Выбор составов и размеров скэффолдов и кондуитов, наиболее перспективных для клинического использования в зависимости от их структуры и физико-механических свойств. 4.4. Подача заявки на патент на изобретение: Новый способ стимуляции регенерации тканей. 4.5. Командировки сотрудников ТПУ и Биологического факультета МГУ. Командировка 3-х сотрудников Биологического факультета МГУ в ТПУ и, соответственно, 3-х сотрудников ТПУ на Биологический факультет МГУ на срок не менее 2 недель. Эти командировки позволят наилучшим образом координировать исследования по проекту, будут способствовать взаимному освоению методов и высокотехнологичного оборудования, используемых в организациях-партнерах, позволят сформировать общие исследовательские подходы и единый научный язык междисциплинарного общения. 4.6. Разработка задачи для практических занятий: С использованием полученных результатов будет разработана задача для практикума «Исследование влияния пьезоэлектрических свойств полимеров на рост клеток млекопитающих». 4.7. Десять статей в рецензируемых российских или зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science) или «Скопус» (Scopus). Десять совместных статей на научный коллектив из расчета минимум по 5 на каждую научную группу. Объединение научно-технического задела и полученных в ходе выполнения проекта данных обеих научных групп позволит повысить качество совместных публикаций в областях биологии и химии/материаловедении, а также междисциплинарных статей. Научная и общественная значимость (соответствие предполагаемых результатов мировому уровню исследований, возможность практического использования ожидаемых результатов проекта в экономике и социальной сфере)): В связи с тем, что природа и механизмы реализации пьезоэлектрического эффекта у биоразлагаемых ПОА и механизмы влияния пьезоэлектрического эффекта полимеров на живые клетки и ткани очень слабо изучены, то в ходе проекта будут получен целый ряд значимых результатов как в области физикохимии пьезоэлектрических свойств этих биодеградируемых полимеров, так и биологии пьезоэлектрического эффекта. Анализ полученной в ходе проекта обширной базы экспериментальных данных позволит в дальнейшем разработать новые биоразлагаемые материалы и медицинские изделия с заданными пьезоэлектрическими свойствами, в которых терапевтическая функциональность будет осуществляться за счет эффективного пьезоэлектрического эффекта и их способности к биодеградации, а также биоразлагаемых сенсоров для измерения давления в широком диапазоне значений (0-20 кПа) в различных тканях и органах при различных заболеваниях в течение заданного времени. Таким образом, результаты научных исследований, которые планируется получить в рамках проекта, являются востребованными, как с точки зрения разработки новых композитных материалов с заранее заданными свойствами, но и их практического использования для конструирования различного рода биодеградируемых изделий и сенсоров, что позволит получить саморегулируемые бионические системы для широкого спектра биомедицинских приложений, таких как регенеративная медицина, системы доставки лекарств и другие биомедицинские устройства. Практическое внедрение полученных в ходе выполнения проекта результатов будет проводится совместно с медицинскими учреждениями и инновационными предприятиями-производителями медицинских изделий.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ