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 22-23-00227
НазваниеПоиск альтернативных селективных гемосорбентов на основе пористых алюмосиликатов различной морфологии
РуководительГолубева Ольга Юрьевна, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт", г Санкт-Петербург
Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-201 - Синтез, строение и реакционная способность неорганических соединений
Ключевые словасорбенты, алюмосиликаты, цеолиты, монтмориллонит, галлуазит, наноструктуры, гидротермальный синтез, адсорбция, гемосорбция, токсины, метаболиты, биологическая активность
Код ГРНТИ31.15.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение проблемы разработки селективных сорбентов для избирательной адсорбции токсичных веществ белкового происхождения, накапливающихся в организме при онкологических, иммунных, инфекционных и других заболеваниях. Разработка устройств и методов, обеспечивающих извлечение из крови патогенетически значимых соединений, является исключительно актуальной. Исследования последних лет показали, что снизить смертность от сепсиса и ряда других заболеваний в несколько раз удаётся применяя современные экстракорпоральные способы детоксикации - аппаратное очищение крови за пределами организма с помощью физико-химических методов, в частности с использованием сорбционных методов. На настоящий момент ни один из представленных на рынке гемосорбентов не отвечает полностью всем требованиям, предъявляемым к таким материалам, а именно – сорбент должен обладать высокой сорбционной емкостью по отношению к токсинам и метаболитам, гемосовместимостью, селективностью и выдерживать определенные методы стерилизации без потери основных свойств, обладать относительно низкой стоимостью.
Указанная проблема может быть успешно решена при использовании синтетических алюмосиликатов с заданными характеристиками, обладающих высокими сорбционными характеристиками и гемосовместимостью за счет отсутствия в них примесных фаз, контролируемым химическим и дисперсионным составом, свойствами поверхности, а также определенной морфологией частиц и заданной пористостью в широком диапазоне (от нано- до макро- и мезопор), позволяющей осуществлять адсорбцию биологических молекул и метаболитов разного размера. Работ в данном направлении пока никем не проводилось, что может быть связано с отсутствием необходимых методик и подходов у исследователей.
В лаборатории исследования наноструктур коллективом группы синтеза силикатных сорбентов и биокомпозитов Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН разработаны подходы к получению целой линейки пористых алюмосиликатов с различной морфологией – каркасных алюмосиликатов (цеолиты различных структур), слоистых силикатов различного химического состава, а также алюмосиликатов со сферической, нанотрубчатой и наногубчатой морфологиями. Исследования цитотоксичности и гемолитической активности синтетических образцов алюмосиликатов показывают отсутствие у них токсичности, характерной для природных минералов, что свидетельствует о перспективности исследования возможности их использования в качестве медицинских сорбентов. Исследования сорбционной способности алюмосиликатов различной морфологии по отношению к органическим красителям, ионам тяжелых металлов и ряду лекарственных препаратов показывают значительный потенциал синтетических алюмосиликатов для их использования в качестве гемосорбентов, в том числе селективных.
В условиях направленного гидротермального синтеза будут получены пористые алюмосиликаты разнообразных структур с заданными характеристиками – определенным фазовым и химическим составом, размером частиц и морфологией, пористо-текстурными и сорбционными характеристиками. Будет изучена возможность разработки на их основе селективных сорбентов для избирательной адсорбции токсичных веществ белкового происхождения. Будут изучены особенности адсорбции белковых молекул различной молекулярной массы из модельных растворов сорбентами выбранных структур, а также их комбинациями, позволяющими получить сорбенты с различной пористостью. Планируется выявить закономерности, описывающие адсорбцию различных по размеру белков алюмосиликатами выбранных структур с учетом пористо-текстурных характеристик сорбента, размеров его частиц и морфологии, а также концентрации и молекулярной массы белков в растворе. Будет исследован процесс адсорбции витаминов и неорганических катионов исследуемыми сорбентами из сред, моделирующих среду плазмы крови. Будет разработана методика оценки in vitro сорбционной способности материалов в отношение липополисахаридов, позволяющей оценивать эффективность линейки предлагаемых сорбентов до клинических испытаний в условиях химической лаборатории. На основании полученных результатов будут сделаны выводы о влиянии пористо-текстурных характеристик, размеров частиц, химического состава и свойств поверхности, а также морфологии сорбентов на их сорбционные характеристики в отношении белков и эндотоксинов, также на их токсичность и гемолитическую активность. В итоге, будут выбраны алюмосиликаты или их комбинации, обладающие оптимальным набором характеристик – высокой сорбционной емкостью по отношению к модельным метаболитам, селективностью, гемосовместимостью и способностью к регенерации.
Ожидаемые результаты
По окончании проекта на основании результатов проведенного исследования будут сделаны выводы о влиянии пористо-текстурных характеристик, размеров частиц, химического состава и свойств поверхности, а также морфологии алюмосиликатов на их сорбционные характеристики в отношении токсичных веществ белкового происхождения, витаминов и неорганических катионов, а также на их токсичность на примере гемолитической активности. Кроме того, будут сделаны выводы о влиянии комбинирования алюмосиликатов различной морфологии и пористо-текстурных характеристик на способность к поглощению белковых молекул и липополисахаридов. Будет оценена перспектива разработки селективных и мультимодальных гемосорбентов на основе синтетических алюмосиликатов, предложены составы и комбинации оптимальных алюмосиликатных сорбентов, обладающих необходимым комплексом свойств – отсутствием токсичности к клеткам крови, высокой сорбционной способностью, селективностью, способностью к регенерации. Будут разработаны методы и подходы оценки эффективности медицинских сорбентов в условиях химической лаборатории с использование модельных экспериментов.
Полученные результаты заложат основу разработки новых отечественных эффективных гемосорбентов, а также позволят расширить области применения алюмосиликатных материалов, в частности – для решения задач медицины.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведено исследование потенциальной возможности применения синтетических алюмосиликатов в качестве селективных и нетоксичных гемосорбентов. Исследование было направлено на решение проблемы разработки селективных сорбентов для избирательной адсорбции токсичных веществ белкового происхождения, накапливающихся в организме при онкологических, иммунных, инфекционных и других заболеваниях, в частности – при сепсисе.
Для решения задач проекта в гидротермальных условиях были синтезированы образцы пористых алюмосиликатов различных структурных типов, химического состава и с различной морфологией частиц. Были получены образцы слоистых силикатов со структурой монтмориллонита, отвечающие химической формуле Na2x(Al2(1-x),Mg2x)Si4O10(OH)2.nH2O, с x=1 (Mg3Si4O10(OH)2.nH2O, аналог сапонита) и с x=0.9 (Na1.8Al0.2Mg1.8Si4O10(OH)2.H2O) и 0.5 (Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2.nH2O), то есть различающиеся степенью изоморфного замещения атомов магния в октаэдрических слоях; образцы, отвечающие формуле каолинита Al2Si2O5(OH)4 с различной морфологией – сферической, губчатой, трубчатой и пластинчатой; а также цеолиты трёх структурных типов – паулингит, Beta, Y и Rho, значительно различающиеся по соотношению Si/Al (4.3, 3,7 и 13 соответственно) и пористости (диаметр внутренних полостей и каналов меняется в диапазоне от 0.36 до 0.75 нм).
С целью разработки новых эффективных гемосорбентов на основе синтезированных алюмосиликатов, изучена сорбционная способность образцов синтетических пористых алюмосиликатов в отношении модельных белковых молекул – окситоцину (маркер низкомолекулярных белков, молекулярная масса 1 кДа), альбумину (маркер среднемолекулярных белков, молекулярная масса 67-69 кДа) и иммуноглобулину (молекулярная масса 150 кДа), а также в отношении важнейших компонентов плазмы крови - катионам натрия, калия и витаминам в среде, моделирующей биологическую среду организма. Проведена оценка потенциальной возможности использования алюмосиликатов в качестве гемосорбентов для экстракорпоральной очистки крови. Модели Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина были использованы для описания экспериментальных изотерм адсорбции белковых молекул. Для обработки кинетических данных использовали модели адсорбции псевдо-первого и псевдо-второго порядка. Образцы исследовали методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота, определен дзета-потенциал поверхности образцов и изучено распределение активных центров на их поверхности с использованием метода адсорбции кислотно-основных индикаторов. С помощью гемолитического теста определена способность исследуемых образцов повреждать мембраны эукариотических клеток. Проведена оценка цитотоксического действия исследуемых образцов в отношении культивируемых эндотелиальных клеток человека линии Ea.hy 926. На основании полученных результатов сделаны выводы о перспективности разработки новых селективных нетоксичных гемосорбентов на основе синтетических алюмосиликатов с заданным комплексом свойств, превосходящих по своим характеристикам активированные угли.
По результатам исследования опубликованы две статьи и сделаны четыре устных доклада на конференциях. Информация о проекте была освещена в СМИ в сети Интернет (https://new.ras.ru/activities/news/razrabotki-sotrudnikov-ikhs-ran-pomogut-borotsya-s-sepsisom/, https://indicator.ru/chemistry-and-materials/novye-sorbenty-ot-rossiiskikh-uchenykh-pomogut-borotsya-s-sepsisom-08-11-2022.htm, https://www.rscf.ru/news/chemistry/novye-sorbenty/, https://naked-science.ru/article/column/novye-sorbenty-ot-rossijskih-uchenyh, https://scientificrussia.ru/articles/novye-sorbenty-ot-rossijskih-ucenyh-pomogut-borotsa-s-sepsisom, https://scientificrussia.ru/articles/novye-sorbenty-ot-rossijskih-ucenyh-pomogut-borotsa-s-sepsisom, https://nauka.tass.ru/nauka/16268867, https://news.mail.ru/society/53795077, https://yunostsibiri.ru/v-rossii-razrabotany-novye-sorbenty-dlya-effektivnoj-borby-s-zarazheniem-krovi-u-cheloveka/?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop).
Кроме того, информация о проекте регулярно освещалась на официальном сайте Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова (https://www.iscras.ru/; http://www.iscras.ru/?p=11859; http://www.iscras.ru/?p=10902; http://www.iscras.ru/?p=10516) и информационных ресурсах лаборатории химии силикатных сорбентов ИХС РАН (https://sites.google.com/view/silicate-sorbents-group; https://vk.com/silicate_sorbents_group).
Публикации
1. Аликина Ю.А., Бразовская Е.Ю., Василенко Н.М., Голубева О.Ю. Кислотно-основные свойства поверхности пористых силикатных сорбентов различной морфологии и состава Физика и химия стекла, Т. 48. № 4. С. 458-464. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0132665122040023
2. Голубева О.Ю., Аликина Ю.А., Бразовская Е.Ю., Василенко Н.М. Adsorption properties and hemolytic activity of porous aluminosilicates in a simulated body fluids ChemEngineering, 2022, 6, 78. https://doi.org/10.3390/chemengineering6050078 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/chemengineering6050078
3. - Новые сорбенты от российских ученых помогут бороться с сепсисом интернет портал Indicator, https://indicator.ru/chemistry-and-materials/novye-sorbenty-ot-rossiiskikh-uchenykh-pomogut-borotsya-s-sepsisom-08-11-2022.htm (год публикации - )
4. - В России создали новые сорбенты, помогающие бороться с заражением крови интернет-портал Мail.ru, https://news.mail.ru/society/53795077 (год публикации - )
5. - В России создали новые сорбенты, помогающие бороться с заражением крови интернет портал Тасс наука, https://nauka.tass.ru/nauka/16268867 (год публикации - )
6. - НОВЫЕ СОРБЕНТЫ ОТ РОССИЙСКИХ УЧЕНЫХ ПОМОГУТ БОРОТЬСЯ С СЕПСИСОМ Портал «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/), https://scientificrussia.ru/articles/novye-sorbenty-ot-rossijskih-ucenyh-pomogut-borotsa-s-sepsisom (год публикации - )
7. - Новые сорбенты от российских ученых помогут бороться с сепсисом Naked science (интернет-портал), https://naked-science.ru/article/column/novye-sorbenty-ot-rossijskih-uchenyh (год публикации - )
8. - Новые сорбенты от российских ученых помогут бороться с сепсисом сайт РНФ, https://www.rscf.ru/news/chemistry/novye-sorbenty/ (год публикации - )
9. - Разработки сотрудников ИХС РАН помогут бороться с сепсисом Официальный сайт Российской академии наук, https://new.ras.ru/activities/news/razrabotki-sotrudnikov-ikhs-ran-pomogut-borotsya-s-sepsisom/ (год публикации - )
10. - В России разработаны новые сорбенты для эффективной борьбы с заражением крови у человека интернет портал ЮС-Юность Сибири, https://yunostsibiri.ru/v-rossii-razrabotany-novye-sorbenty-dlya-effektivnoj-borby-s-zarazheniem-krovi-u-cheloveka/?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведено исследование потенциальной возможности применения синтетических алюмосиликатов в качестве селективных и нетоксичных гемосорбентов. Исследование было направлено на решение проблемы разработки селективных сорбентов для адсорбции токсичных веществ белкового происхождения, накапливающихся в организме при онкологических, иммунных, инфекционных и других заболеваниях, в частности – при сепсисе. На основании результатов исследования сорбционных свойств и биологической активности образцов пористых алюмосиликатов различных структурных типов (слоистых силикатов со структурой монтмориллонита, отвечающих химической формуле Na2x(Al2(1-x),Mg2x)Si4O10(OH)2.nH2O, с x=1 (Mg3Si4O10(OH)2.nH2O, аналог сапонита), с x=0.9 (Na1.8Al0.2Mg1.8Si4O10(OH)2.H2O) и x=0.5 (Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2.nH2O), образцов, отвечающих формуле каолинита Al2Si2O5(OH)4 с различной морфологией частиц – сферической, губчатой, трубчатой и пластинчатой; цеолитов трёх структурных типов – паулингит, Beta, Y и Rho), проведённых в 2022 г. были выбраны наиболее перспективные комбинации сорбентов, потенциально позволяющие получить эффективные и не токсичные гемосорбенты. Для дальнейшего исследования были выбраны комбинации монтмориллонита и цеолита Beta, а также комбинации монтмориллонитов двух состав с различной степенью изоморфных замещений атомов магния на алюминий (Mg3Si4O10(OH)2.nH2O и Na1.0Al1.0Mg1.0Si4O10(OH)2.nH2O). С целью разработки новых эффективных гемосорбентов на основе комбинированных алюмосиликатных сорбентов была изучена сорбционная способность образцов в отношении модельных белковых молекул – окситоцину (маркер низкомолекулярных белков, молекулярная масса 1 кДа), альбумину (маркер среднемолекулярных белков, молекулярная масса 67-69 кДа) и иммуноглобулину (маркер высокомолекулярных токсинов, молекулярная масса 150 кДа), а также в отношении важнейших компонентов плазмы крови - катионам натрия, калия и витаминам в среде, моделирующей биологическую среду организма. Проведена оценка потенциальной возможности использования алюмосиликатов в качестве гемосорбентов для экстракорпоральной очистки крови в условиях перфузионного контура. С этой целью были проведены работы по разработке подходов к грануляции образцов, позволяющей получать прочные, не растворимые в воде гранулы с высокой сорбционной ёмкостью. Проведены модельные испытания гранулированных образцов комбинированных сорбентов в динамических условиях. Модели Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина были использованы для описания экспериментальных изотерм адсорбции белковых молекул. Для обработки кинетических данных использовали модели адсорбции псевдо-первого и псевдо-второго порядка. Образцы исследовали методами рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота. Проведены исследования по изучению сорбционной ёмкости потенциальных гемосорбентов в отношении токсинов-маркеров липополисахаридов. С помощью гемолитического теста определена способность гранулированных образцов повреждать мембраны эукариотических клеток. Проведено сравнение полученных результатов исследования гранулированных образцов с исходными порошкообразными образцами сорбентов. Комбинирование синтетических монтмориллонитов нескольких химических составов с различной степенью изоморфных замещений и их грануляция позволяет снизить гемолитическую активность образцов при сохранении высокой сорбционной ёмкости в отношении соединений белковой природы. Сделаны выводы о механизмах адсорбции белковых молекул различного молекулярного веса на алюмосиликатных комбинированных сорбентах, установлено влияние пористо-текстурных характеристик и свойств поверхности на сорбционную способность алюмосиликатных сорбентов, а также выводы о влиянии химического и фазового состава, морфологии частиц, свойств поверхности на их гемолитическую активность и сорбционную способность. На основании полученных результатов можно сделан вывод о перспективности дальнейшего развития работ по созданию селективных нетоксичных гемосорбентов на основе синтетических алюмосиликатов.
По результатам исследования в 2023 г. опубликована одна статья в журнале первого квартиля и сделаны три устных доклада на конференциях.
Информация о проекте была освещена в СМИ в сети Интернет (https://new.ras.ru/activities/news/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/; https://www.rscf.ru/news/release/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/; https://news.rambler.ru/science/50820506-issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/; https://poisknews.ru/nanotehnologii/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/; https://indicator.ru/chemistry-and-materials/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin-29-05-2023.htm; https://inscience.news/ru/article/russian-science/12434; https://colab.ws/news/643).
Кроме того, информация о проекте регулярно освещалась на официальном сайте Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова (http://www.iscras.ru/?p=12473; http://www.iscras.ru/?p=12576) и информационных ресурсах лаборатории химии силикатных сорбентов ИХС РАН (https://sites.google.com/view/silicate-sorbents-group; https://vk.com/silicate_sorbents_group).
Публикации
1. Голубева О.Ю., Аликина Ю.А., Бразовская Е.Ю., Василенко Н.М. Hemolytic Activity and Cytotoxicity of Synthetic Nanoclays with Montmorillonite Structure for Medical Applications Nanomaterials, 13(9), 1470; https://doi.org/10.3390/nano13091470 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13091470
2. - Исследователи научились регулировать биологическую активность «наноглин» официальный сайт Российской академии наук, https://new.ras.ru/activities/news/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/ (год публикации - )
3. - Исследователи научились регулировать биологическую активность «наноглин» официальный сайт Российского научного фонда, https://www.rscf.ru/news/release/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/ (год публикации - )
4. - Исследователи научились регулировать биологическую активность «наноглин» Mendeleev.info (Интернет издание), https://mendeleev.info/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/ (год публикации - )
5. - Исследователи научились регулировать биологическую активность «наноглин» Рамблер новости (Интернет издание), https://news.rambler.ru/science/50820506-issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/ (год публикации - )
6. - Исследователи научились регулировать биологическую активность «наноглин» Поиск (Интернет издание), https://poisknews.ru/nanotehnologii/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin/ (год публикации - )
7. - Сотрудники ИХС РАН научились регулировать биологическую активность «наноглин» официальный сайт ИХС РАН, http://www.iscras.ru/?p=12473 (год публикации - )
8. - Исследователи научились регулировать биологическую активность «наноглин» Indicator (Интернет ресурс), https://indicator.ru/chemistry-and-materials/issledovateli-nauchilis-regulirovat-biologicheskuyu-aktivnost-nanoglin-29-05-2023.htm (год публикации - )
9. - Исследователи научились регулировать биологическую активность «наноглин» InScience (Интернет ресурс), https://inscience.news/ru/article/russian-science/12434 (год публикации - )
10. - Ученые сделали «наноглинистые» сорбенты безопаснее для медицины CoLab, https://colab.ws/news/643 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы для создания отечественных эффективных гемосорбентов для экстракарпоральной очистки крови.