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 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, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2020 г. - 2023 г.

Конкурс№47 - Конкурс 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

СтатусУспешно завершен

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

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Средний размер полученных с использованием различных методик наночастиц магнетита составляет от 45,5±7,8 нм до 73,6 ±12,4 нм. Однако, некоторые исследованные в рамках проекта способы получения позволяют получать аггломераты наночастиц со средним размером до 560±110 нм (магнетит в форме наностержней), а также в виде крупных частиц кубической формы размером до 230±30нм. Химический состав полученных образцов магнетитов, определённый методом ЭДРА, представлен кислородом и железом. Результаты ИК-спектроскопии показали наличие всех молекулярных связей, типичных для магнетита, а именно обнаружены полосы поглощения при ~559 см–1 и 1110 см–1, обусловленные колебаниями Fe–O связи магнетита, при этом полоса при 559 см–1 смещается в область ~620 см–1 при увеличении фазы гетита, полоса при 1400 см–1 относится к валентным колебаниям Fe–O магнетита, полоса при 1614 см–1 связана с деформационными колебаниями O-H в сочетании с атомами Fe, широкая полоса при 2500-3550 см–1 обусловлена валентными колебаниями поверхностных –ОН-групп. Полосы при 891 см-1 и 794 см-1 могут быть отнесены к деформационным колебаниям Fe-OH гетита. Раман-спектры частиц магнетита, полученных в атмосфере азота или на воздухе, содержат характерную полосу поглощения магнетита при 670 см-1, а также в области~ 490 см-1; полосы поглощения гетита при 240, 390, 480 и 550 см-1. Результаты рентгенофазового анализа позволили установить, что при 30,35°, 35,63°, 43,49°, 53,56°, 57,12° и 62,81°, наблюдаются пики, относящиеся к фазе магнетита (220), (311), (400), (422), (511) и (440). Также обнаружены рефлексы, относящиеся к орторомбической фазе гетита (FeOOH) при 2θ = 21,22°, 27,34°, 33,98°, 37,56°. Анализ показал следующее соотношение фаз: Fe3O4 – 64,8 % и FeOOH – 35,2 %. Намагниченность (Ms = 51,9 Гс*См3/г) образцов, синтезированных в условиях атмосферы N2 и Ar, несколько ниже. Исходя из полученных данных ИК- и РАМАН-спектросокпии, рентгенофазового анализа можно сделать вывод, что образцы чистого магнетита, полученные в инертной атмосфере аргона/азота, являются однофазным магнетитом (100% кубический Fe3O4). Эти результаты также подкрепляются результатами намагниченности образцов - Ms = 64,1 и 80,27 Гс·см3/г, соответственно, что ниже полученного в литературе значения (Ms = 92 Гс·см3/г). Результаты намагниченности для образцов чистого магнетита также коррелируют с размером полученных наночастиц. Образец, полученный методом совместного осаждения на воздухе, имеет более низкую намагниченность насыщения (Ms = 51,9 Гс·см3/г), несмотря на больший размер частиц (d = 73,6 ±12,4 нм) относительно других образцов (Ms = 64,1 Гс·см3/г, d = 46,6±9,3 нм) и М7 (Ms = 80,27 Гс·см3/г, d = 45,5±7,8 нм), полученных в условиях сред Ar/N2. Для чистого магнетита и композита на основе Fe3O4 с rGO в соотношении 2:1 наблюдаются полосы поглощения при ~559 см–1 и 1110 см–1, обусловленные колебаниями Fe–O магнетита, полоса поглощения при 2500-3550 см–1, обусловленная валентными колебаниями поверхностных –ОН-групп. Полученные результаты РЭМ-ЭДРА показывают, что композиты содержат железо и углерод, в случае наличия в композитах rGO также обнаружен углерод. Образцы композитов rGO/Fe3O4, полученные методом совместного осаждения в среде Ar/N2, также демонстрируют высокую фазовую чистоту (100% кубический Fe3O4), однако характеристический пик rGO при 2θ = 24,56° не наблюдается ни на одной рентгенограмме композитов rGO/Fe3O4, что можно объяснить низкой долей rGO в композитах rGO/Fe3O4, т.к. вклад в состав композита может внести только достаточно большое содержание фазы rGO (более 6:1 rGO/Fe3O4). Получены композиты на основе ПОА с добавлением Fe3O4/rGO. На всех РЭМ изображениях полученных композитов обнаружены частицы магнетита. На РЭМ изображениях композитов также обнаружены фрагменты «наночешуек» rGO, что подтверждено результатами ЭДРА и свидетельствует о включении rGO в состав композита. При сравнении диаметров волокон композитных скэффолдов, полученных методом электроспиннинга, отмечается снижение диаметра волокон, относительно волокон чистого полигидроксибутирата, что связано с изменением параметров электроспиннинга на которые оказывают влияние композитные добавки в процессе получения скэффолдов. В частности, снижение диаметра волокон происходит из-за изменения проводимости раствора для электроспиннинга вследствие введения 6% магнетита для образцов в составе с полигидроксибутиратом (РНВ), а также 6 % композита из двух компонент в состав полимера. Следует отметить, что введение добавок в полимерную матрицу PHB приводит к снижению вязкости раствора, что также вносит свой вклад и способствует уменьшению диаметра волокон, влияет на способность формирования непрерывных волокон из-за кулоновского отталкивания различных компонент. Так для чистого PHB диаметр волокон составляет от 1,66±0,46 мкм до 2,25 ± 0,39 мкм до в зависимости от концентрации и размера наночастиц магнетита в волокнах. На полученных дифрактограммах для композитных образцов обнаруживаются характерные рефлексы кристаллической фазы PHB при 2θ 13,6° (020), 16,9º (110). Также в образце присутствуют менее интенсивные рефлексы в области 21,4º (101), 22,4º (111), 25,5º (031/130), 26,9º (040), принадлежащие к плоскостям α-фазы, а также малоинтенсивный рефлекс в области 19,9º (021), принадлежащий к плоскостям β-фазы (ICDD - 00-068-1411). Область β-фазы в образцах скэффолдов с чистым магнетитом и композитом rGO/Fe3O4 несколько интенсивнее, нежели в чистом образце PHB. В композитных образцах присутствуют 4 рефлекса, принадлежащих фазе Fe3O4 при значениях 2θ = 30,37º (220), 35,57º (311), 42,89º (400) и 53,64º (422). Также выявлен низкоинтенсивный рефлекс rGO в области 2θ=26,1º. Согласно проведенным исследованиям методом просвечивающей электронной микроскопии установлено, что получен чистый по фазовому составу Fe3O4. Необходимо также отметить, что на микродифракционных картинах присутствуют дифракционные кольца только от фазы Fe3O4. Следует отметить, что дифракционные кольца этой фазы практически совпадают (трудно разрешимы методами ПЭМ) с дифракционным кольцами Fe2O3. Отличие заключается лишь в большем количестве дифракционных колец от фазы Fe2O3 по сравнению с фазой Fe3O4. Выявлено присутствие рефлексов от кристаллической решетки графита, что обусловлено наличием в составе композита двумерных нанопластинок rGO. Были исследованы пленки ПОА различной толщины и состава. В результате выполненных исследований установлено, что увеличение толщины ПОБ пленок с 30 мкм до 100 мкм не влияет на температуру холодной кристаллизации и плавления, а также приводит к увеличению степени кристалличности соответственно с 55% до 61% и снижению анизотропии структуры, а именно снижению интенсивности рефлекса (020) и увеличению интенсивности остальных рефлексов. Кроме того, средний размер кристаллитов ПОБ в направлении [020] снижается по мере увеличения толщины пленок с 22,3 до 16,9 нм. Уменьшение молекулярной массы ПОБ с 1095 кДа до 105 кДа не оказывает влияние на средний размер кристаллитов, формирующихся в направлении [020] (~19 нм), параметры кристаллической решетки и кристалличность тонких пленок с толщиной ~50 мкм, однако, приводит к снижению температуры плавления с 176°С до 174°С и с 162°С до 158°С, соответственно. Установлено, что добавление 5,9% 3-ОВ приводит к снижению кристалличности ПОБ пленок с 57% до 44%, но при этом анизотропия структуры ПОБ увеличивается, что выражается доминирующим характером (020) рефлекса, свидетельствующего о формировании текстуры, и увеличением среднего размера кристаллитов с 19,5 нм до 24,1 нм. По мере увеличения содержания 3-ОВ в ПОБВ с 5,9% до 17,6% в зависимости от молекулярной массы мономера наблюдается снижение степени кристалличности от 44% до 23% и анизотропии при доминировании (020) рефлекса, т.е. формируется более изотропная кристаллическая структура. Средний размер кристаллитов ПОБВ пленок в направлении [020] с близкой молекулярной массой снижается с 24,1 нм при 5,9% содержании 3-ОВ до 18,7 нм 17,6% содержании 3-ОВ. Установлено, что уменьшение молекулярной массы ПОБВ позволяет снизить анизотропию кристаллической структуры, т.е. наблюдается уменьшение интенсивности (020) рефлекса. При ~9% содержании 3-ОВ средний размер кристаллитов (020) текстуры ПОБВ тонких пленок с молекулярной массой 1010 кДа и 320 кДа, соответственно, снижается с 18,5 нм до 12,2 нм, а при 17,6% содержании 3-ОВ идентичный показатель снижается с 20,9 нм до 18,7 нм при снижении молекулярной массы ПОБВ пленок, соответственно, с 1190 кДа до 635 кДа. Пьезоэлектрический отклик у пленок ПОА колеблется от 1.2 до 6.1 пм/В. Была создана модель поли-3-оксибутирата (ПОБ) в библиотеке Comsol Multiphysics. Во всех экспериментах прикладываемая сила, давление и плотность материала были постоянны и составляли F=1 Н, P= 100 МПа и ρ= 1,25 (гр/см-3), соответственно. Были получены распределения электрического потенциала по поверхности волокон при различных условиях деформации, причем максимальные значения потенциала находятся на уровне 40-45 мкВ. При сравнении результатов биодеградации ПОБ и ПОБ-0,7%rGO матриксов видно, что значения модуля Юнга и относительного удлинения исходных скэффолдов являются близкими. При этом предел прочности ПОБ матриксов снижается после добавления rGO c 1,51±0,12 МПа до 1,13±0,09 МПа, что может быть связанно с тем, что содержание кристаллической β-фазы ПОБ после добавления 0,7% rGO увеличилось. Между тем, согласно модели межфазового перехода, зигзагообразная β-фаза появляется в местах разрыва α-фазы, или встраивания rGO. Таким образом, увеличение содержания β-фазы, т.е. полиморфной дефектной кристаллической структуры ПОБ, приводит к снижению предела прочности пьезополимерных микроволокон. Добавление 2-Д нанопластинок rGO позволило замедлить снижение значений относительного удлинения ПОБ матриксов. Гибридные матриксы в среднем растягиваются до разрыва на 5,3±1,7%, а на основе чистого ПОБ на 2,9±1,3%. Значения модуля Юнга подтверждают данную зависимость, так как обнаружена более высокая эластичность гибридных матриксов в течение биорезорбции. Значения модуля Юнга гибридных матриксов на 30 день инкубации в фермент-содержащей PBS составили 23,1±7,2 МПа, а на основе чистого ПОБ 42,1±7,5 МПа. Измеренные значения модуля Юнга (3,85±0,44 МПа) и относительное удлинение (421,25±110,86 %) для исходных ПКЛ скэффолдов соответствуют литературным данным для нановолокон, 3,8±0,8 МПа и 417,00±58,00%, соответственно. В свою очередь, полученные средние значения модуля Юнга равные 51,20±16,77 МПа и 56,34±14,33 МПа для исходных ПОБ и ПОБ-0,7%rGO скэффолдов выше, чем для нановолокон на основе ПОБ, известных в литературе (32,58±2,41 МПа).

Публикации

1. Сурменев Р.А., Чернозем Р.В., Парий И.О., Сурменева М.А. A review on piezo- and pyroelectric responses of flexible nano- and micropatterned polymer surfaces for biomedical sensing and energy harvesting applications Nano Energy, 79 (2021) 105442 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105442

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Модели ферментативной и неферментативной биодеградации in vitro использовались в проекте на втором этапе работ для исследования ее влияния на изменение свойств электроформованных скэффолдов на основе поли-3-оксибутирата (ПОБ) и его композитов в составе с магнитными нано- или субмикроразмерными частицами магнетита, в том числе с поверхностью, модифицированной лимонной кислотой. Результаты рентгенофазового анализа позволили установить основные характерные пики α-фазы ПОБ при 13,5° (020) и 16,9° (110), менее выраженные рефлексы в области 21,4º (101), 22,4º (111), 25,5º (031/130), 26,9º (040). При этом, также обнаружены рефлексы при 2θ = 18,2º (111), 30,4º (220), 35,9º (311), 43,5º (400), 53,5º (422), 57,7º (511), 63,1º (440), соответствующие магнетиту с гранецентрированной кубической решеткой. Гибридные скэффолды после биодеградации обладают более высокими средними значениями максимального выдерживаемого напряжения (предел прочности) на разрыв, чем скэффолды до биодеградации. После 1 месяца биодеградации гибридных ПОБ/Fe3O4 скэффолдов в фосфатном буфере (PBS) или липазе изменение массы образцов, как и снижение их механической прочности, не обнаружено. Существенных отличий в морфологии волокон в результате биодеградации также не происходит. Согласно полученным диаграммам напряжение/деформация, в результате биодеградации наблюдается увеличение механической прочности образцов и увеличение модуля Юнга композитов в составе с магнитными частицами М3 субмикронного размера 280 ± 80нм и наночастиц М7 размером 45,5 ± 7,8 нм. При этом после выдержки образцов в липазе максимальное напряжение, выдерживаемое скэффолдами до разрушения, существенно увеличивается, тогда как обработка в PBS не дает таких явных изменений. Увеличение механической прочности и модуля Юнга материалов можно объяснить повышением их кристалличности вследствие рекристаллизации аморфной фазы полимеров в процессе гидролиза. Механизм рекристаллизации заключается в ориентации полимерных цепей аморфной фазы, которые в ходе гидролитического распада приобретают более высокую подвижность. Наряду с этим, наночастицы магнетита также могут вносить вклад в изменение физико-механических свойств. Улучшение механических свойств полимерных матриц в процессе деградации особенно заметно в случае частиц магнетита с поверхностью, модифицированной лимонной кислотой (М1, размер наночастиц 46,6 ± 9,3 нм). На диаграммах композитов ПОБ/М1, полученных после деградации в липазе, наблюдается увеличение не только максимального напряжения до разрушения, но и удлинения при растяжении, что связано с увеличением совместимости магнетита, покрытого лимонной кислотой, с полимером. Кроме того, увеличивается модуль Юнга (жесткость) композитов с М3 и М7 после биодеградации как в PBS, так и в липазе. В этих же композитах наблюдается снижение удлинения при растяжении, однако для ПОБ/М3 – только после деградации в PBS. Отсутствие изменений массы скэффолдов вместе с результатами механических испытаний позволяет заключить, что деградация полимера в исследуемый промежуток времени не происходит: полимерные цепи аморфной части, подвергаясь разрыву эфирных связей вследствие гидролиза, не переходят в раствор, а ориентируются в новые упорядоченные кристаллические области. Помимо этого, было обнаружено увеличение удлинения композитов ПОБ/М3 после обработки липазой и ПОБ/М1 после деградации в каждой из использованных сред, что связано с тем, что добавление олигомерных звеньев оказывает пластифицирующее действие на полимер, увеличивая удлинение при растяжении. В связи с этим, олигомерные продукты деградации играют роль пластификаторов и увеличивают удлинение при растяжении скэффолдов, что способствует более быстрому протеканию распада цепей при биодеградации материалов в среде с липазой. Результаты исследований пьезоотклика соответствуют данным спектроскопии комбинационного рассеяния света, согласно которым образцы после биодеградации имеют наибольшую степень кристалличности. Пьезоотклик образцов увеличивается после биодеградации по сравнению с образцами до биодеградации, что обусловлено, в первую очередь, изменением степени кристалличности полимерных матриксов вследствие вымывания аморфной фазы или ее рекристаллизацией. Предполагается, что перечисленные выше различия и закономерности у пьезополимерных скэффолдов с М1 и М3 обусловлены размерами частиц, входящих в их состав. Частицы наполнителя меньшего размера благодаря более высокой удельной поверхности активнее выступают в качестве центров кристаллизации и полимерные композиты с этими частицами имеют более высокую степень кристалличности, что коррелирует с тем, что пьезоотклик ПОБ/M1 скэффолдов выше по сравнению с ПОБ/M3 (как вертикальный, так и латеральный). Матриксы с М3 после биодеградации в фосфатном буфере имеют наименьший вертикальный и латеральный пьезоотклик. Исследование поверхностного потенциала с помощью Кельвин-зондовой силовой микроскопии показывает, что образцы с М1 имеют неоднородный поверхностный потенциал, а то время как образцы с более крупными частицами М3 имеют меньший разброс значений. Средние значения поверхностного потенциала уменьшаются после биодеградации в среде в присутствии липазы с 76±30 мВ до 66±30 мВ и с 55±8 мВ до 28±7 мВ для ПОБ/M1 и ПОБ/M3, соответственно. Поверхностный заряд зависит от структурных особенностей полимера. Как уже было ранее отмечено, но имеет непосредственное отношение к результатам измерений поверхностного потенциала, биодеградация приводит к изменению степени кристалличности полимерных матриксов вследствие вымывания аморфной фазы и ее частичной рекристаллизации. Различие в поверхностном потенциале связано с тем, что в случае кристаллической фазы ориентация диполей имеет более регулярный порядок, в отличие от аморфной фазы, в которой они направлены хаотично и нивелируют друг друга. Наличие пьезоактивных участков в полимерных волокнах связано с присутствием орторомбической кристаллической α-фазы с пространственной группой P212121, которая имеет сдвиговые пьезоэлектрические компоненты (d14, d25, d36). Также исследовались различные способы получения композитных частиц на основе восстановленного оксида графена (ВОГ) с магнетитом (Fe3O4), полученных методом адсорбции наночастиц Fe3O4 на поверхности ВОГ или методом со-осаждения солей Fe2+, Fe3+ на поверхности ВОГ для последующей иммобилизации композитных частиц в пьезоактивную полимерную матрицу, что позволило выбрать наиболее перспективный тип наполнителя и способ его ввода в пьезополимерную матрицу. В дополнение к вышеперечисленным результатам были также исследованы механизмы влияния лиофильной сушки нано- и субмикрочастиц магнетита, в том числе композитных в составе с ВОГ, на распределение частиц в пьезополимерной матрице. Установлено, что лиофильная сушка существенным образом определяет равномерность распределения наночастиц в пьезополимерной матрице, поэтому этот способ подготовки частиц должен использоваться в качестве ключевого этапа подготовки частиц перед электроформованием пьезоматриц. В процессе выполнения проекта с использованием двухступенчатого синтеза были успешно синтезированы наностержни магнетита с варьируемыми размерами.

Публикации

1. Сурменев Р.А., Чернозем Р.В., Парий И.О., Сурменева М.А. A review on piezo- and pyroelectric responses of flexible nano- and micropatterned polymer surfaces for biomedical sensing and energy harvesting applications Nano Energy, Nano Energy 79 (2021) 105442 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105442

2. Чернозем Р.В., Романюк К.Н., Грубова И.Ю., Чернозем П.В., Сурменева М.А., Мухортова Ю.Р., Вильгельм М., Людмиг Т., Матур С., Холкин А.Л., Нейтс Е., Парахонский Б., Скиртач А.Г., Сурменев Р.А. Enhanced piezoresponse and surface electric potential of hybrid biodegradable polyhydroxybutyrate scaffolds functionalized with reduced graphene oxide for tissue engineering Nano Energy, Nano Energy 89 (2021) 106473 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106473

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В данном исследовании методом электроформования были получены скэффолды на основе поли-3-гидроксибутирата (ПОБ) с композитными магнитоактивными наполнителями в составе с восстановленным оксидом графена или оксидом графена, модифицированными наночастицами магнетита. Проведено комплексное исследование влияния наполнителей и диаметра волокон на структуру, физико-механические, магнитные и пьезоэлектрические свойства скэффолдов. Диаметр волокон в композитных скэффолдах составляет 1,7±0,3 и 3,0±0,5 мкм для скэффолдов, полученных с помощью игл калибра G27 и G21, соответственно. Добавление магнитного композита Fe3O4-ВОГ не влияет на пьезоотклик, но придает высокие значения намагниченности скэффолдов на основе ПОБ. Физико-механические свойства, кристалличность и поверхностный электрический потенциал скэффолдов можно контролировать, изменяя диаметр волокон. После 1 месяца деградации изменений массы каждого из исследуемых скэффолдов практически не зафиксировано. После 6 месяцев деградации скэффолды из чистого ПОБ практически не теряют массу (после деградации осталось 99,7±0,2 % от исходной массы), в то время как в случае композитов наблюдается значительное снижение массы: композитные скэффолды ПОБ/Fe3O4, ПОБ/Fe3O4-ОГ и ПОБ/Fe3O4-ВОГ потеряли 7,1 ± 0,2 %, 3,5 ± 0,2 % и 41,4 ± 1,0 % от исходной массы, соответственно. После 1 месяца биодеградации в каждом из образцов появляется малоинтенсивный рефлекс β-фазы (110) при ~20°, который значительно усиливается после 6 месяцев выдержки в среде. На основании этого, можно ожидать постепенное усиление пьезоотклика скэффолдов в процессе биодеградации. Был рассчитан размер кристаллитов ПОБ в плоскости (020) (d020). Установлено, что биодеградация и введение в полимерную матрицу различных наполнителей не вызывает значительного изменения d020 полимера. Оптическая микроскопия скэффолдов до и после 1 и 6 месяцев биодеградации в липазе показала, что исходные композитные волокна ПОБ/Fe3O4, ПОБ/Fe3O4–ОГ и ПОБ/Fe3O4–ВОГ характеризуются большей шероховатостью в сравнении с волокнами из чистого ПОБ. В случае скэффолдов с добавлением оксидов графена (ПОБ/Fe3O4–ОГ и ПОБ/Fe3O4–ВОГ) количество агрегатов композитных частиц существенно снижается в сравнении со скэффолдом ПОБ/Fe3O4. ОГ и ВОГ обеспечивают большую площадь поверхности для роста частиц Fe3O4 и, тем самым, предотвращают необратимую агломерацию частиц, что наблюдается на оптических фотографиях скэффолдов ПОБ/Fe3O4-ОГ и ПОБ/Fe3O4-ВОГ. После 6 месяцев биодеградации волокна как чистых, так и композитных скэффолдов теряют шероховатость и становятся гладкими. Помимо этого, после 6 месяцев деградации наблюдаются разрывы волокон в композитных скэффолдах ПОБ/Fe3O4, ПОБ/Fe3O4–ОГ и ПОБ/Fe3O4–ВОГ. После 1 и 6 месяцев биодеградации в липазе в КР-спектрах композитных скэффолдов появляется плечо при пике 670 см-1 вследствие появления сигнала маггемита при 720 см-1. Помимо этого, в случае скэффолдов с композитными наполнителями ПОБ/Fe3O4-ОГ и ПОБ/Fe3O4-ВОГ после деградации появляется пик маггемита при 460 см-1. Эти наблюдения, наряду с изменением цвета частиц наполнителей свидетельствует об окислении магнетита в среде липазы и его фазовом переходе в маггемит, который обладает меньшей намагниченностью. В случае ПОБ/Fe3O4 и ПОБ/Fe3O4-ВОГ наблюдается существенное изменение механических свойств в сравнении со скэффолдом из чистого ПОБ: σmax снижается от 1,3±0,8 до 0,5±0,4 и 0,3±0,1 МПа; δ снижается от 19,7±5,1 до 2,2±0,2 и 4,6±2,7 % для ПОБ/Fe3O4 и ПОБ/Fe3O4-ВОГ, соответственно. Е ПОБ/Fe3O4-ВОГ резко снижается по сравнению с чистым ПОБ от 120±39 до 38±7 МПа. Ухудшение механических характеристик ПОБ при введении наполнителей можно связать с гетерогенным распределением частиц, которые играют роль дефектов в структуре полимерной матрицы и вызывают концентрацию механических напряжений. После 1 месяца биодеградации чистого скэффолда ПОБ наблюдается значительное усиление σmax и Е. Этот результат соответствует увеличению кристалличности полимера в ходе биодеградации. Аналогичные изменения механических свойств после инкубации в липазе прослеживается для композита ПОБ/Fe3O4. На основании проведенных исследований также сделаны следующие выводы: 1) Снижение диаметра иглы от 0,51 до 0,2 мм и добавление наполнителя Fe3O4-ВОГ приводит к снижению кристалличности скэффолдов. Кроме того, частицы Fe3O4-ВОГ снижают размер кристаллитов в плоскостях (020) и (110) орторомбической α-фазы ПОБ. 2) Снижение диаметра волокон повышает пластичность и механическую прочность электроформованных скэффолдов. Помимо этого, наблюдается снижение E композитных скэффолдов в сравнении с чистыми. 3) Поверхностный электрический потенциал магнитоактивных скэффолдов ПОБ/Fe3O4-ВОГ значительно увеличивается от 0,650±0,012 до 0,890±0,034 В с увеличением диаметра волокон вследствие большего числа полярных функциональных групп на поверхности волокон. 4) Разработанные скэффолды ПОБ/Fe3O4-ВОГG21 и ПОБ/Fe3O4-ВОГG27 обладают высокой σs, равной 6,83±0,41 и 6,50±0,39 эме/г, соответственно. В данном исследовании были также разработаны новые электроформованные магнитоактивные кондуиты для инженерии нервной ткани на основе биосовместимого биоразлагаемого ПОБ и наночастиц магнетита Fe3O4, модифицированных лимонной кислотой (ЛК). После этого Fe3O4-ЛК (8 мас. %) был введен в матрицу ПОБ для получения трубчатого магнитоактивного кондуита. 1) СЭМ результаты позволили установить наличие бездефектных случайно ориентированных волокон диаметром 0,9 ± 0,2 и 1,2 ± 0,1 мкм для чистого ПОБ и композита ПОБ/Fe3O4-ЛК, соответственно. Оба кондуита имеют пористую структуру, обеспечивающую перенос питательных веществ, метаболитов и образующихся в результате разложения газов. Кроме того, большая площадь поверхности увеличивает адгезию клеток. Введение Fe3O4-ЛК не влияет на пористость каналов (83,5 ± 2,1 и 82,3 ± 1,1 % для чистого и композитного кондуитов, соответственно), однако нанотопография композитного кондуита ПОБ/Fe3O4-ЛК значительно улучшается, что доказано методами СЭМ и АСМ. Профили топографии волокон показали увеличение Ra для композита с 11,2±1,9 до 19,4±5,5 нм по сравнению с чистым ПОБ. 2) Методом РФА показано, что магнитные наночастицы Fe3O4-ЛК ограничивают кристаллизацию ПОБ в направлении b, делая его кристаллическую структуру более изотропной. Кроме того, увеличение интенсивности брэгговского рефлекса при 20° плоскости (110) β-фазы ПОБ указывает на то, что добавление Fe3O4-ЛК может индуцировать образование электроактивной β-фазы в структуре ПОБ. 3) По данным ДСК, Xc кондуитов снижается при добавлении магнитных наночастиц Fe3O4-ЛК от 58,5 до 54,0 % за счет наличия агломератов Fe3O4-ЛК, которые ограничивают подвижность полимерных цепей и препятствуют их кристаллизации. 4) РФЭС-анализ не выявил магнитные наночастицы Fe3O4-ЛК в исследуемом поверхностном слое композитного кондуита. Таким образом, магнитные наночастицы расположены на глубине, превышающей предел обнаружения РФЭС. Полученный результат можно объяснить различием в поверхностной энергии магнитных наночастиц и полимера. Поскольку поверхностная энергия гидрофильного Fe3O4-ЛК выше, чем у гидрофобного ПОБ, магнитные наночастицы склонны мигрировать вглубь полимерной матрицы для снижения энергии системы. 5) Значение σs магнитоактивного кондуита ПОБ/Fe3O4-ЛК составляет 7,44 ± 0,07 эме/г. Установлено, что введение Fe3O4-ЛК в матрицу ПОБ приводит к резкому увеличению Hc от 8,6 ± 0,3 до 42 ± 2 Э за счет сопротивления волокна ПОБ, которое препятствует выравниванию магнитных моментов Fe3O4-ЛК. 6) Добавление Fe3O4-ЛК в кондуиты повышает гидрофильность кондуитов на основе ПОБ, о чем свидетельствует снижение значений угла смачивания θs от 129,7 ± 0,8° до 125,7 ± 1,1°. Значения нарастающего (θa) и убывающего (θr) углов смачивания демонстрируют аналогичную тенденцию. Кроме того, свободная поверхностная энергия σ значительно увеличивается от 53,0 ± 1,5 до 72,2 ± 2,5 мН/м для чистого и композитного кондуитов, соответственно, в то время как гистерезис угла смачивания θh увеличивается от 22,9 ± 1,7 ° до 26,9 ± 2,6 ° после добавления Fe3O4-ЛК.

Публикации

1. Pryadko A., Mukhortova Y., Chernozem R., Pariy I., Alipkina S., Zharkova I., Dudun A., Zhuikov V., Moisenovich A., Bonartseva G., Voinova V., Chesnokova D., Ivanov A., Travnikova D., Shaitan K., Wagner D., Shlapakova L., Surmenev R., Surmeneva M. Electrospun magnetic composite poly-3-hydroxybutyrate/magnetite scaffolds for biomedical applications: composition, structure, magnetic properties, and biological performance ACS Appl. Bio Mater., ACS Appl. Bio Mater. 2022, 5, 3999−4019 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsabm.2c00496

2. Мухортова Ю.Р., Прядко А.С., Чернозем Р.В., Парий И.О., Акулина Е.А., Демьянова И.В., Жаркова И.И., Иванов Ю.Ф., Вагнер Д.В., Бонарцев А.П., Сурменев Р.А., Сурменева М.А. Fabrication and characterization of a magnetic biocomposite of magnetite nanoparticles and reduced graphene oxide for biomedical applications Nano-Structures and Nano-Objects, Nano-Structures & Nano-Objects 29 (2022) 100843 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2022.100843

3. Прядко А., Мухортова Ю.Р., Чернозем Р.В., Шлапакова Л.Е., Вагнер Д.В., Романюк К., Герасимов Е., Холкин А.Л., Сурменев Р.А., Сурменева М.А. A comprehensive study on the structure, physicomechanical properties, and piezoelectric response of electrospun composite magnetic scaffolds made of PHB/Fe3O4-rGO with different fiber diameters ACS Omega, ACS Omega 2022, 7, 41392−41411 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05184

4. Сурменев Р.А., Иванов А.Н., Сесилия А., Баумбах Т., Чернозем Р.В., Матур С., Сурменева М.А. Electrospun Composites of Poly-3-Hydroxybutyrate Reinforced with Conductive Fillers for In Vivo Bone Regeneration Open Ceramics, Open Ceramics 9 (2022) 100237 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.oceram.2022.100237

5. Чернозем Р., Парий И., Прядко А., Бонарцев А., Войнова В., Жуйков В., Махина Т., Шварцман В., Лупаску Д., Романюк К., Холкин А., Сурменев Р. A Comprehensive Study on the Structure and Piezoelectric Response of Biodegradable Polyhydroxybutyrate-Based Films for Tissue Engineering Applications Polymer Journal, volume 54, pages1225-1236 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1038/s41428-022-00662-8

6. Чернозем Р.В.,Парий И., Сурменева М.А., Шварцман В.В., Планкэрт Г., Вердьюин Ж., Гизельс С., Абалымов А., Парахонский Б., Гонсальвеш А., Матур С., Ронсее Ф., Депла Д., ЛУпаску Д., Элеваут Д., Сурменев Р.А., Скиртач А. Cell behavior changes and enzymatic biodegradation of hybrid electrospun poly(3-hydroxybutyrate)-based scaffolds with an enhanced piezoresponse after the addition of reduced graphene oxide Advanced Healthcare Materials, Advanced Healthcare Materials 2023 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/adhm.202201726

7. Шенг Р., Му Д., Чернозем Р.В., Мухортова Ю.Р., Сурменева М.А., Парий И.О. Людвиг Т., Матур С., Ксу С., Сурменев Р.А., Лиу Х.Х. Fabrication and Characterization of Piezoelectric Polymer Composite Scaffolds and Cytocompatibility with Mesenchymal Stem Cells ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Applied Materials & Interfaces 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acsami.2c15802

8. - Ученые создали уникальный материал для регенеративной медицины РИА новости, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В данном исследовании были впервые разработаны электроформованные магнитоактивные кондуиты для инженерии нервной ткани на основе биосовместимого биоразлагаемого поли-3-оксибутирата (ПОБ) и магнитных наночастиц (МНЧ) Fe3O4, модифицированных ЛК. МНЧ Fe3O4-ЛК со средним диаметром 30 нм синтезированы методом химического соосаждения и исследованы методами СЭМ, РФА, РФЭС и КР-спектроскопии. РФЭС-анализ подтвердил наличие ЛК на поверхности МНЧ, что указывает на успешную модификацию. σs полученных МНЧ составляет 61,88 ± 0,29 эме/г. Fe3O4-ЛК (8 мас. %) был введен в матрицу ПОБ для получения трубчатых магнитоактивных кондуитов. Результаты РЭМ позволили выявить бездефектные беспорядочно ориентированные волокна диаметром (0,9 ± 0,2) и (1,2 ± 0,1) мкм для чистых ПОБ и композитных ПОБ/Fe3O4–CA-кондуитов, соответственно. Введение Fe3O4–CA не изменяло пористость кондуитов; но наношероховатость (Ra) композитных кондуитов ПОБ/Fe3O4–CA была значительно выше (11,2±1,9 против 19,4±5,5 нм) по сравнению с чистым ПОБ. Рентгенографическое исследование показало, что магнитные наночастицы Fe3O4–CA ограничивают кристаллизацию ПОБ вдоль b направления, тем самым делая кристаллическую структуру кондуитов более изотропной. Более того, по сравнению с чистым ПОБ, более высокая интенсивность брэгговского отражения при 20° ([110] плоскость β-фазы ПОБ) была установлена в кондуитах ПОБ/Fe3O4–CA, что свидетельствует о формировании электроактивной β-фазы в ПОБ. Разработаны механизмы предполагаемого взаимодействия между макромолекулами ПОБ и магнитными наполнителями. Согласно результатам дифференциальной калориметрии, степень кристалличности кондуитов уменьшается при добавлении магнитных наночастиц Fe3O4–CA из–за присутствующих в некотором количестве агломератов Fe3O4-CA, которые ограничивают подвижность полимерных цепей и препятствуют их кристаллизации. Испытания на растяжение кондуитов показали улучшенную пластичность ПОБ/Fe3O4–CA: композитные кондуиты имеют модуль Юнга 221 ± 52 МПа и относительное удлинение при разрыве 28,6% ± 2,9%, что сопоставимо с клиническими материалами. Намагниченность насыщения композитных кондуитов ПОБ/Fe3O4–CA составляет 7,44 ±0,07 эме/г. Включение магнитных наночастиц Fe3O4–CA в матрицу ПОБ приводит к резкому увеличению коэрцитивных полей с 8,6 ± 0,3 до 42 ± 2 Oe из–за влияния полимерного волокна ПОБ на выравнивание магнитного момента в Fe3O4-CA. Добавление магнитных наночастиц Fe3O4–CA в кондуиты на основе ПОБ повышает их гидрофильность, так как краевые углы смачивания уменьшаются. Кроме того, поверхностная энергия увеличивается в композитных кондуитах по сравнению с чистыми, что может быть связано с изменением соотношения между содержанием аморфной и кристаллической фаз, изменением шероховатости поверхности, а также межфазными взаимодействиями между ПОБ и Fe3O4–CA. Введение магнитных наполнителей приводит к увеличению поверхностного потенциала композитных кондуитов по сравнению с кондуитами из чистого PHB в результате повышенного содержания полярных групп C–O, –COOH и –OH в поверхностном слое волокон композита. В процессе биодеградации кондуитов в растворе липазы в течение 6 месяцев обнаружено увеличение отношения C/O, коррелирующее с уменьшением процентного содержания кислорода, что обусловлено диффузией кислорода в окружающую среду вместе с высвобождением деградированного полимера и наполнителей. Ферментативная деградация приводит к снижению поверхностного потенциала всех скэффолдов. Результаты пьезосиловой микроскопии также выявили снижение локальных латерального и вертикального эффективного пьезоотклика композитных кондуитов. Снижение пьезоотклика связано с уменьшением содержания электроактивной β-фазы в кристаллической структуре полимера в результате высвобождения кристаллитов полимера вследствие гидролитической деградации. При этом, результаты атомносиловой микроскопии выявили отсутствие влияния магнитных наполнителей на латеральную и вертикальную составляющие локального эффективного пьезоотклика композитных кондуитов. Кондуиты могут поддерживать адгезию, выживание и пролиферацию крысиных МСК и нейроноподобных клеток SH-SY5Y в низкочастотном магнитном поле (0,67 Гц, 68 мТ), благодаря биосовместимости этих материалов с различными клетками. Скорость пролиферации крысиных МСК на чистом ПОБ–кондуите сравнима с таковой на ПКТ, тогда как на поверхности композитного кондуита ПОБ/Fe3O4-CA скорость пролиферации увеличивается. Это ускорение в основном объясняется повышенной шероховатостью поверхности и свободной поверхностной энергией композитного кондуита по сравнению с другими испытанными поверхностями. Исследование использования электроформованных кондуитов из пьезоактивных композитов ПОБ/Fe3O4–CA для регенерации костной ткани и поврежденного периферического седалищного нерва in vivo на разработанных ранее экспериментальных хирургических моделях некритического костного дефекта и дефекта периферического (седалищного) нерва, соответственно, в условиях неинвазивного воздействия на лабораторных крыс в течение 3-х недель внешнего низкочастотного магнитного поля и без его воздействия показали, что по картине тканевой реакции пьезоэлектрический эффект не оказывал влияние на восстановление нерва, но проявлял свое действие на процесс регенерации костной ткани. Так, при имплантации кондуитов из композита ПОБ/Fe3O4–CA проявление под воздействием магнитного поля пьезоэлектрического эффекта in vivo выражалось, по-видимому, в стимуляции остеогенной дифференцировки предшественников остеобластов, в результате чего клетки быстрее вступали в стадию дифференцировки и наблюдался более активный остеокондуктивный эффект на поверхности волокнистого материала. В случае же отсутствия внешнего магнитного поля как ПОБ/Fe3O4–CA, так и скэффолды из ПОБ способствовали в большей мере не дифференцировке, а пролиферации МСК, в связи с чем наблюдалось активное прорастание волокнистого материала кондуита с образованием новообразованной костной ткани. Таким образом, разработанные кондуиты являются перспективными кандидатами для дальнейших доклинических испытаний и клинического применения в восстановлении травм периферической нервной системы. Применение полученных материалов может предотвратить необратимую потерю двигательной и сенсорной функций в травмированной области, что улучшит качество жизни значительного количества пациентов в России и за рубежом. Разработанные и исследованные кондуиты могут преодолеть недостатки, связанные с существующим общепринятым подходом к лечению повреждений периферической нервной системы.

Публикации

1. Комплексное in situ исследование синтеза магнитных композитных материалов на основе магнетита и восстановленного оксида графена и исследование его эффективности для удаления мышьяка из воды A comprehensive study on in situ synthesis of a magnetic nanocomposite of magnetite and reduced graphene oxide and its effectiveness at removing arsenic from water Nano-Structures & Nano-Objects, 36 (2023) 101028 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2023.101028

2. Структура, пьезоотклик, физико-механические свойства каркасов на основе полигидроксибутирата с композитным наполнителем из магнетита/восстановленного оксида графена Structure, Piezoresponse, and Physical and Mechanical Properties of Scaffolds Based on Polyhydroxybutyrate with a Magnetite/Reduced Graphene Oxide Composite Filler Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., Volume 87, pages 675–680 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S1062873823701897

3. Структура, физико-механические свойства и пьезоэлектрический отклик скэффолдов на ос-нове полиоксибутирата с композитным наполнителем магнетит/восстановленный оксид графена Структура, физико-механические свойства и пьезоэлектрический отклик скэффолдов на ос-нове полиоксибутирата с композитным наполнителем магнетит/восстановленный оксид графена ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, том 87, № 6, с. 766–772 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0367676523701338

4. Влияние флексоэлектрического эффекта на свойства материалов с акцентом на фотоэлектрические и другие приложения: обзор The influence of the flexoelectric effect on materials properties with the emphasis on photovoltaic and related applications: A review Materials Today, Volume 67, July/August 2023 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.05.026

Возможность практического использования результатов
Научно-технические результаты проекта, полученные в рамках проекта, являются основой для разработки технологии формирования биодеградируемых скэффолдов и кондуитов биомедицинского назначения с заранее заданным составом и пористостью, поверхностным пьезопотенциалом и пьезоэлектрическими свойствами, способствующих контролю за клеточной адгезией и пролиферацией в условиях in vitro, а также обеспечивающих регенерацию новых тканей в условиях in vivo. Результаты, как ожидается, будут высоко востребованы в областях практического здравоохранения для проведения восстановительных операций по лечению/восстановлению поврежденных участков различных типов мягких тканей (например, кожного покрова), восстановлению или лечению костных дефектов (травматология и ортопедия, челюстно-лицевая хирургия, детская травматология, стоматология, гематология, а также резекционных дефектах, остеомиелите и остеопорозе), когда традиционные методы лечения малоэффективны. Разработка и последующее внедрение в клиническую практику новых материалов позволит обеспечить доступ населению РФ к новым высокотехнологическим способам лечения и терапии различных заболеваний, в том числе связанных с восстановлением нервной ткани, повреждением и травмами костной ткани. Результат должен быть ощутим в среднесрочной перспективе с момента внедрения разработанных материалов клиническую практику. Мы ожидаем, что это отразится на сокращении сроков лечения и его стоимости, сокращении реабилитационного периода, а также приведет к увеличению качества жизни населения в РФ, снизив зависимость от импорта дорогостоящих зарубежных аналогов. Основные результаты проекта будут также внедрены в образовательные курсы Томского политехнического университета и Московского государственного университета им М.В. Ломоносова по подготовке бакалавров и магистров по специальностям: 18.03.01 – химическая инженерия; 03.03.02 – физика; 22.03.01 – Материаловедение и технологии материалов, а также аспирантов по специальностям 1.3.8 – Физика конденсированного состояния, 2.6.6 – Нанотехнологии и наноматериалы и 2.2.12 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения. Кроме этого, результаты проекта будут являться основой для написания аспирантами, участниками проекта, диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, а также бакалаврских и магистерских диссертаций на базе ТПУ, участвующими в проекте студентами.