Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект посвящен актуальной фундаментальной научной проблеме ‒ расширению существующих представлений о химии ортофосфатов редкоземельных элементов, в частности, ортофосфатов церия, и поиску новых сфер их потенциального применения с учетом уникальных физико-химических свойств. В ходе реализации проекта в 2021-2022 гг. получен ряд новых значимых данных о строении и составе, закономерностях формирования ортофосфатов четырехвалентного церия, перспективных для использования в биомедицинских применениях. В соответствии с запланированными задачами, в рамках проекта было реализовано две стратегии по получению новых кристаллических ортофосфатов церия(IV) – исходя из церийфосфатного раствора, содержащего избыток ортофосфорной кислоты, и очищенного от этого избытка церийфосфатного геля. Было обнаружено, что использование одних и тех же водных растворов электролитов (солей, щелочей, HF), добавляемых к продуктам, полученным по первой или второй стратегии, приводит в результате гидротермальной обработки к формированию различных соединений. Таким образом, маршрут гидротермальной кристаллизации церийфосфатных прекурсоров в водных растворах электролитов в существенной степени определяется содержанием в реакционной среде ортофосфат-анионов. Применение первой стратегии позволило селективно получить несколько новых кристалличеких соединений церия, включая KCe2(PO4)3, Na2Ce(PO4)2•0.5H2O, NH4Ce3F10. При реализации второй стратегии в большинстве случаев основным продуктом синтеза являлся диоксид церия. Выявлено, что проведение гидротермальной обработки смеси, содержащей избыток ортофосфорной кислоты (первая стратегия), позволяет получать различные кристаллические продукты за счет изменения концентрации водного раствора щелочи (NaOH, KOH), используемого для гелирования. При использовании 1 М водного раствора KOH и 3 М водного раствора NaOH были получены новые однофазные кристаллические продукты ‒ KCe2(PO4)3 и Na2Ce(PO4)2•0.5H2O, соответственно. Найденные кристаллографические параметры структуры KCe2(PO4)3 составили a =17.3740(14) Å, b=6.7277(5) Å, c=7.9688(7) Å, B = 102.352(5)o, V = 909.89(13) Å3, пр. гр. C2/c и a = 6.9441(2) Å, b= 11.6805(3) Å, c= 9.3434(3) Å, B = 111.6825(17)o, V = 704.23(4) Å3, пр. гр. P21/c для Na2Ce(PO4)2 0.5H2O. Обнаружено, что в ходе термолиза двойных солей ортофосфатов церия(IV) при температурах до ~500°С происходит удаление молекул воды с сохранением структурного мотива исходных соединений. При более высоких температурах происходит выделение кислорода и переход Ce(IV)-Ce(III), сопровождающийся разрушением исходных структур и формированием монацита. Продемонстрировано, что при реализации синтеза по первой стратегии, анион (нитрат, сульфат, ацетат), входящий в состав соли, не влияет на состав твердофазных продуктов, а катион играет определяющую роль. В случае использования цинксодержащих солей был получен однофазный продукт, имеющий структуру, близкую к структуре (NH4)2Ce(PO4)2•H2O, с соотношением Ce:P:Zn = 1:2:1. Показано, что присутствие фторид-анионов в реакционной среде, содержащей даже избыток ортофосфорной кислоты, напрямую влияет на фазовый состав продуктов гидротермальной обработки и, в зависимости от концентрации, может приводить к кристаллизации фаз, не содержащих ортофосфат-анионов. При использовании в качестве электролита водного раствора NH4F получено новое соединение трехвалентного церия ‒ NH4Ce3F10, изоструктурное KY3F10 и NH4Y3F10. Рассчитанные кристаллографические параметры для NH4Ce3F10 составили a =b=c= 11.6274(9) Å, V = 1572.0(2) Å3, пр. гр. Fm3m, Z=8. Впервые методом рентгеновской спектроскопии поглощения высокого разрешения проведены прямые измерения степени окисления церия в кристаллических ортофосфатах. Показано, что в соединениях NH4Ce2(PO4)3, (NH4)2Ce(PO4)2•H2O и Ce(OH)PO4 церий имеет степень окисления +4, при этом в соединении Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5 по предварительным расчетам присутствует также 15% церия со степенью окисления +3. На культуре мезенхимальных стволовых клеток человека продемонстрировано, что Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5 и NH4Ce2(PO4)3 стимулируют их пролиферативную активность. При этом впервые обнаружено, что NH4Ce2(PO4)3 оказывает выраженный фотопротекторный эффект по отношению к клеткам при УФ-индуцированном повреждении.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен актуальной фундаментальной научной проблеме ‒ расширению существующих представлений о химии ортофосфатов редкоземельных элементов, в частности, ортофосфатов церия(IV), и анализу потенциала их применения в биомедицинских целях. В ходе реализации проекта в 2022-2023 гг. получены дополнительные сведения, уточняющие некоторые результаты первого года работы, а также принципиально новые данные, касающиеся биологической активности впервые предложенных и ранее известных кристаллических ортофосфатов церия(IV). Показано, что в результате гидротермальной обработки (180C) аморфного церийфосфатного геля в смеси, содержащей KOH, формируется продукт с основной фазой KCe2(PO4)3 (изоструктурной NH4Ce2(PO4)3), и воспроизводимо примесной фазой CeIIIPO4 в небольшом количестве около 3 масс.%. Уточнены параметры элементарной ячейки KCe2(PO4)3: пр. гр. C2/c, a = 17.3781(3) Å, b = 6.7287(1) Å, с = 7.9711(2) Å, β = 102.351(1) °, V = 910.53(4) Å3, Z = 4. Продемонстрировано, что в отличие от термолиза изоструктурного соединения NH4Ce2(PO4)3, термическое разложение KCe2(PO4)3 приводит к образованию не только CePO4, но и KPO3. Гидротермальной обработкой при 180C церийфосфатного геля, полученного смешением церийфосфатного раствора с 3 M NaOH, синтезирован ранее неизвестный двойной ортофосфат натрия-церия, не имеющий структурных аналогов. В ходе анализа кристаллической структуры и химического состава нового соединения, в т.ч. методом рентгеновской спектроскопии поглощения высокого разрешения, впервые в мире установлено, что в его составе присутствует церий(III) в количестве 10%. Решение структуры полученного соединения по данным порошковой рентгеновской дифракции с учетом всего массива экспериментальных данных позволило определить его наиболее достоверный состав, Na1.97Ce1.03(PO4)2•xH2O. Параметры кристаллической структуры Na1.97Ce1.03(PO4)2•xH2O (x = 0.55): пр.гр. P21/c (14), Z = 4, a = 6.9441(2) Å, b = 11.6805(3) Å, c = 9.3434(3) Å,  = 111.6827(18), Rp = 0.0223, Rwp = 0.0291, 2=4.31. Проведен комплексный анализ биологической активности ортофосфатов церия(IV) состава Ce(OH)PO4, Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5, NH4Ce2(PO4)3, (NH4)2Ce(PO4)2(H2O), KCe2(PO4)3 и Na1.97Ce1.03(PO4)2•хH2O по отношению к МСК человека, включающий исследование метаболической и миграционной активности клеток, установление локализации частиц ортофосфатов церия(IV), выявление возможных механизмов их взаимодействия с клетками, а также исследование протекторного влияния ортофосфатов церия(IV) на клетки в различных модельных экспериментах. Показано, что двойные ортофосфаты церия(IV) NH4Ce2(PO4)3, (NH4)2Ce(PO4)2(H2O), KCe2(PO4)3 и Na1.97Ce1.03(PO4)2•хH2O обладают высоким уровнем биосовместимости с МСК человека, даже по сравнению с образцом сравнения – нанокристаллическим диоксидом церия. При этом наблюдаемое снижение метаболической активности при тестировании некоторых образцов не приводит к гибели клеток, и обусловлено пролонгированным цитотоксическим эффектом ортофосфатов церия(IV). Одной из причин наблюдаемого цитотоксического воздействия может являться сорбция частиц образцов на мембранах клеток, поскольку также установлено, что изменение редокс-статуса клетки не является механизмом выявленного снижения метаболической активности и жизнеспособности МСК человека. Установлено, что воздействие образцов состава NH4Ce2(PO4)3, Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5, KCe2(PO4)3 и Na1.97Ce1.03(PO4)2•хH2O лишь незначительно сказывается на миграционной активности клеток и обеспечивает практически полное закрытие модельной раны через 48 часов соинкубации (как и в контрольном эксперименте без добавления ортофосфатов церия(IV)). В то же время показано, что использование нанодисперсного CeO2 в аналогичных условиях не приводит к закрытию раны за такой же период времени. В экспериментах с моделированием окислительного стресса, индуцированного воздействием экзогенного пероксида водорода, обнаружено, что все тестируемые образцы демонстрируют прооксидантную активность. При этом максимальное снижение жизнеспособности МСК человека относительно необработанного контроля наблюдается при использовании Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5 и образцов сравнения – аморфного церийфосфатного геля и нанодисперсного диоксида церия, в концентрации 1 мг/мл. Образцы NH4Ce2(PO4)3, KCe2(PO4)3 и Na1.97Ce1.03(PO4)2•хH2O не проявляют протекторной активности во всех исследованных концентрациях, но при этом и не оказывают выраженной прооксидантной активности в высоких концентрациях, сохраняя на высоком уровне значение метаболической активности клеток. Анализ фотопротекторной активности синтезированных ортофосфатов церия(IV) после их 10-минутного облучения ультрафиолетовым светом с клетками продемонстрировал ярко выраженный защитный эффект во всех исследованных концентрациях 0.125-1.0 мг/мл для образцов NH4Ce2(PO4)3 и (NH4)2Ce(PO4)2(H2O). Важно, что максимальная концентрация образца (NH4)2Ce(PO4)2(H2O) обеспечивала практически 100% защитный эффект. Впервые продемонстрирована селективная цитотоксичность кристаллических ортофосфатов церия(IV) Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5 и NH4Ce2(PO4)3 по отношению к клеткам меланомы мыши линии B16/F10 in vitro, обнаруженная также и для нанокристаллического диоксида церия, используемого в качестве контроля. Методом МТТ теста показано, что метаболическая активность клеток меланомы мыши линии B16/F10 снижается примерно на 40% после их взаимодействия с исследуемыми ортофосфатами церия(IV), что даже больше, чем в случае использования наночастиц CeO2. Значение IC50 достигается спустя 72 ч взаимодействия клеток меланомы мыши линии B16/F10 с церийсодержащими продуктами. Показано, что соинкубация Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5, NH4Ce2(PO4)3 и CeO2 с клетками меланомы мыши приводит к изменению их морфологии, что также является следствием токсического воздействия.