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 22-23-00790

НазваниеАддитивные и биосинтетические подходы получения гибридных материалов на основе природных склеропротеинов

РуководительКривошапкин Павел Васильевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", 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, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словатрехмерная печать материалов, тканевая инженерия, оптические материалы, биосинтез, склеропротеины, моделирование структур

Код ГРНТИ31.25.15

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке трехмерных наноструктурированных полимерных каркасов за счет использования аддитивных технологий и биосинтетических подходов и моделированию процессов самосборки наноструктур для применения в области регенеративной медицины и оптически активных биоструктур. Научная новизна проекта заключается в том, что впервые для этих целей будет использоваться натуральный шелк паука, обладающий развитой иерархической структурой из белковых макромолекул (склеропротеинов) и в отличие от синтетических полимеров, обладает сложной вторичной и третичной структурой, определяющей их организацию на более высоком уровне, и приводящей к уникальным физико-химическим характеристикам, что позволяет формировать новые материалы различной морфологии в виде пленок, капсул, сфер или гидрогелей. Следует отметить, что основной массив данных описанных в литературе посвящен получению материалов из шелка шелкопряда или искусственной (рекомбинантной) паутины. Но полное воспроизведение свойств натуральной паутины все еще остается нерешенной проблемой, ввиду трудностей репликации полной длины рекомбинантных белков. Ранее нами было показано, что путем химической обработки шелка пауков (Holothele incei и Linothele fallax) возможно получение наноразмерных склеропротеинов, которые будут обеспечивать коллоидно-химические и реологические свойства системы и формировать основу чернил для трехмерной печати. Используя подходы математического моделирования для предсказания и управления процессами самосборки за счет введения неорганических частиц, поверхностно-активных компонентов или полиэлектролитов будет проведена формуляция чернил для 3D биопринтера и напечатаны трехмерные полимерные каркасы. Актуальность проекта обосновывается уникальными свойствами материалов на основе склеропротеинов: высокой биосовместимости, биоразлагаемости и низкой иммуногенности, что дает высокий потенциал для различных практических приложений, в данном проекте применение полимерных материалов будет сконцентрировано на следующих направлениях: тканевая инженерия, имплантология и оптические системы: 1. Известно, что архитектура пор в трехмерных полимерных каркасах играет критическую роль в тканевой инженерии, поскольку она обеспечивает жизненно важную основу для организации клеток в функциональную ткань. Актуальность предлагаемого решения указанной проблемы заключается в формировании уникальной матрицы, сочетающей развитую пористую взаимопроникающую структуру, обеспечивающую быстрый рост клеточных культур и наличие достаточной прочности, обеспечивающей устойчивость к физиологическим нагрузкам во время интеграции и заживления. Таким образом, нерешенной задачей является дизайн и создание механически прочных трехмерных каркасов с развитой пористостью и биологической совместимостью. 2. Большая доля используемых на сегодняшний день имплантатов производится из металлов или их сплавов, концепция использования натурального шелка паука в качестве самостоятельных или защитных элементов имплантатов позволит решить проблему низкой коррозионной и бактериальной стойкости металлических сплавов без использования химических веществ и антибиотиков, что имеет большой клинический потенциал. 3. Известно, что благодаря уникальной макроструктуре гидрогели являются перспективной платформой для создания оптических устройств биомедицинского применения, но вследствие внешнего воздействия ориентация структурных элементов в геле может нарушаться, что негативно сказывается на оптических свойствах системы. Актуальность предлагаемого решения указанной проблемы заключается в создании гибридной системы, сочетающей взаимопроникающие полимерные сети, где сшитые длинноцепочечные полимеры обеспечивают эластичность и ударную вязкость гидрогеля за счет распределения механической нагрузки при деформации. Таким образом будут получены оптические устройства для мониторинга, например, уровня оксигенации крови в биологических тканях или для диагностики биохимических аналитов. Таким образом, предложенный проект решает комплексную междисциплинарную задачу, объединяющую вопросы дизайна/моделирования и применения аддитивных технологий для получения прототипов высокотехнологичных материалов биомедицинского направления.

Ожидаемые результаты
Научная значимость проекта связана с тем, что впервые будет проведено комплексное исследование в области получения и конструирования новых материалов на основе натурального (нативного) шелка паука с использованием биосинтетического подхода и аддитивной технологии, для применения в биомедицинских областях: оптические сенсоры, биоинженерия, регенеративная медицина. Так как на данный момент не известны работы, направленные на получение гибридных материалов, содержащих наноразмерные склеропротеины и неорганические наночастицы и данные о процессах взаимодействия предполагается получение результатов мирового уровня. Для решения данной задачи будут задействованы математические аппараты расчета и получены новые знания и модели предсказывающие и описывающие механизмы взаимодействия и формирования трехмерной структуры. Будут получены новые данные о формировании гидрогелей на основе натуральных склеропротеинов, что включает управление внешними условиями, такими как изменения температуры и pH, варьирование концентрации и соотношения компонентов или ионной силы раствора. На основании полученных данных будет смоделирован и предложен механизм гелеобразования, что позволит управлять процессами формирования нанофибриллярных трехмерных структур. Будет разработана технология формуляции чернил для 3D печати, проведено компьютерное моделирование геометрии трехмерных объектов и осуществлена печать трехмерных структур с заданной наноархитектоникой, и исследованы их структура, физико-химические и биохимические свойства. Путем изучения биосовместимости и пролиферативной активности в зависимости от структуры и состава разработанных трехмерных матриц, будут созданы биополимерные материалы с заданными оптическими свойствами для целей биодетекции и нужд трансплантологии. Изучение взаимосвязи между поведением клеток и строением трехмерной белковой структуры приблизит к пониманию процессов, происходящих при функционировании биосовместимых материалов в реальных условиях in vivo, прояснит фундаментальные проблемы на пути к созданию искусственных конструкций для тканевой инженерии и биомедицинских технологий. Общественная значимость выражается в заинтересованности представителей медицинских учреждений в проведении данных исследований подтверждается письмом поддержки фирмы, выпускающей имплантаты. На протяжении реализации проекта планируется опубликование не менее 4 статей в высокорейтинговых журналах мирового уровня.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Были разработаны биосовместимые гелеобразные чернила для 3D-печати хирургических материалов и тканевых конструкций. Поскольку полученные гидрогели, содержащие микроволокна шелка паука ускорят высвобождение лекарственных препаратов, они обладают потенциалов в разработке систем для долговременной доставки лекарственных средств со сдвигом скорости. Также, синтезированные гидрогели демонстрируют исключительные структурные характеристики и свойства вязкоупругости, на основании чего планируется разработка смазывающих материалов для суставов костей и компрессионного материала для глубоких кровоточащих ран. 2. Разработан способ получения гибридных волокон шелка паука, модифицированных наночастицами магнетита, путем биоинтеграции неорганических наночастиц во время управляемого биосинтеза. Полученный материал обладает магнитными свойствами, улучшенными механическими характеристиками и является биосовместимым, что открывает возможности его использования в области получения имплантируемых магнитных датчиков и интеллектуальных или многофункциональных материалов. Успешно проведенный управляемый биосинтез открывает возможности для инновационного дизайна биоматериалов, модифицированных различными наночастицами, и получения новых и уникальных свойств 3. Были разработаны инновационные гибридные материалы на основе натуральных волокон шелка паука, модифицированных ферромагнитными наночастицами, с помощью которых можно контролировать релиз лекарственных препаратов и обеспечивать более эффективную регенерацию нервных волокон. Это исследование демонстрирует эффективность предлагаемых методов при поражении нервной системы и открывает доступ к новым возможным тактикам лечения. 4. Впервые разработан метод получения гибридного материала на основе натурального шелка паука, модифицированного углеродными точками, методом in situ. Материал обладает флуоресцентными свойствами в красном диапазоне электромагнитного спектра, максимум пика эмиссии находится в области 580 нм под действием возбуждающего излучения при длине волны 485 нм. Положение пика эмиссии в красной области спектра обусловлено наличием -SСN групп в структуре углеродных точек. Разработанный метод модификации волокон и получения оптически активного материала позволяет сохранять механические свойства волокон шелка паука. Показано отсутствие цитотоксичности гибридного материала, что делает возможным его применение при разработке новых материалов для регенеративной медицины, например в качестве подкожных саморазлагающихся швов. Также была показана возможность использования модифицированных углеродными точками волокон в качестве детектора для отслеживания развития инфекций в ране. Следовательно, разработанный материал не только предоставляет новые возможности для области биовизуализации, но и имеет большие перспективы в качестве хирургических швов со способностью отслеживания заражения хирургической раны в режиме реального времени. 5. Смоделирован и применен новый метод модификации тутового шелкопряда в условиях сольвотермального синтеза для получения оптически активных палочек фиброина. Палочки тутового шелкопряда модифицированы наночастицами Fe3O4 для получения магнитных характеристик. Было показано, что может быть достигнута анизотропия полученного материала. Выдавливание расплава полимера через сопло 3D-принтера приводит к формированию фиброиновой структуры, выровненной в направлении потока. Магнитные фиброиновые палочки излучают красное свечение, что позволяет использовать их в биомедицинских приложениях. 6. Были синтезировали наносклеропротеиновые объекты цилиндрической формы на основе натурального шелка паука, которые не превышают размеры в 100 нм и проявляют свойства натуральной паутины. Полученные материалы проявляют свечение в красном спектре, что является перспективным свойством для создания биомедицинских сенсоров.

Публикации

1. Мальцева Е.С., Николаева В.О., Савин А.М., Добряков М.Я., Кошель Е.И., Кривошапкин П.В., Кривошапкина Е.Ф. Fluorescent Hybrid Material Based on Natural Spider Silk and Carbon Dots for Bioapplication ACS Biomaterials Science & Engineering, 8, 8, 3310–3319 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.2c00322

2. - В ИТМО создали материал на основе паутины для заживления ран после операций Информационное агентство "Научная Россия", https://scientificrussia.ru/articles/v-itmo-sozdali-material-na-osnove-pautiny-dla-zazivlenia-ran-posle-operacij (год публикации - )

3. - В ИТМО создали материал на основе паутины для заживления ран после операций Российский научный фонд, https://www.rscf.ru/news/chemistry/v-itmo-sozdali-material/ (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Была создана многокомпонентная гибридная система, состоящая из прочной матрицы на основе паучьего шелка; Mn0.9Zn0.1Fe2O4 покрытия из наночастиц, обеспечивающее контролируемый тепловой триггер высвобождения лекарства; и липосом, которые действуют как носители лекарств. На снимках флуоресцентного микроскопа видно, что краситель, загруженный в липосомы, высвобождается при воздействии на систему переменного магнитного поля за счет нагрева ферромагнитных наночастиц, имеющих низкую температуру Кюри (40 – 46°С). Шелковая матрица также продемонстрировала выдающуюся биосовместимость, создавая благоприятную среду для адгезии постнатальных клеток фибробластов человека и открывая путь для их направленного роста. Разработка биосовместимых магнитоуправляемых полимеров является многофункциональным решением многих хирургических осложнений. В данной работе описан комплексный подход к регенерации хряща путем разработки паучьего шелка. Созданный каркас анатомически подходящими механическими свойствами перспективен для осуществления контролируемой доставки лекарств при многофункциональном аутологичном матрикс-индуцированном хондрогенезе. Разработаны покрытия на основе растворов шелка паука, которые повышают коррозионную стойкость магниевых сплавов. Это улучшает стойкость магниевых сплавов в 54 раза, делая их более подходящими для использования в качестве временных имплантатов. Также было обнаружено, что обработанные раствором шелка подложки магния демонстрируют в три раза лучшую коррозионную стойкость по сравнению с контрольными образцами. Эти результаты являются важным шагом в разработке биоразлагаемых имплантатов на основе магния с улучшенными свойствами. Исследовались свойства материалов на основе шелка паука в отношении их устойчивости к патогенным организмам. Эксперименты показали, что оптически-активный гибридный материал на основе шелка паука проявляет эффект гашения фотолюминесценции при взаимодействии с различными микроорганизмами, включая E. coli K12, S. aureus и C. albicans. Гидрогели на основе гиалуроновой кислоты/паутины также проявляют высокую антимикробную активность как в отношении грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Исследования подтверждают возможность использования гидрогелей на основе гиалуроновой кислоты и паутины в качестве антимикробного материала для медицинских целей. Были разработаны чернила для 3Д-печати на основе склеропротеиновых микроструктур. Такой подход позволяет ориентировать шелковые микрообъекты при печати, создавая материалы уникальной и точной формы. Также, материал обладает оптической активностью в УФ свете, что может быть использовано в создании усовершенствованной упаковки и защищенной печати, так как такие объекты могут обеспечить уникальные свойства, которые трудно подделать или воспроизвести. Кроме того, паучий шелк является естественным и биоразлагаемым материалом, что делает его более экологически чистой альтернативой традиционным методам защищенной печати.

Публикации

1. Крючкова А., Савин А., Киселева А., Духинова М., Кривошапкина Е., Кривошапкин П. Magnetothermal spider silk-based scaffolds for cartilage regeneration International Journal of Biological Macromolecules, Volume 253, Part 6, 127246 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.127246

Возможность практического использования результатов
Результаты по проекту обеспечивают обширный потенциал для практического применения в экономике и социальной сфере. Некоторые возможности использования результатов проекта включают: 1. Создание новых материалов для различных отраслей медицины. Разработанные в процессе выполнения проекта методики по получению гибридных склеропротеиновых материалов, антибактериальных биосовместимых гидрогелей и белковых микроструктур на основе шелка паука могут быть использованы в производстве усовершенствованных многофункциональных материалов, применимых во многих отраслях медицины, в том числе трансплантологии, хирургии и регенеративной медицине. Эти материалы могут быть более эффективными, безопасными для пациентов и экономически выгодными, чем существующие технологии.. 2. Улучшение качества жизни людей. Создание усовершенствованных имплантов с антибактериальным покрытием может помочь предотвратить инфекции, улучшить результаты операций и предотвратить необходимость повторных операций. Магнитотермальные скаффолды на основе склеропротеинов позволят не только осуществлять эффективную регенерацию тканей, что значительно улучшит качество жизни пациентов, но и позволит таргетно доставлять лекарственные препараты к определенным участкам организма, снижая токсический эффект от антибиотиков и способствуя ускоренном восстановлению. Оптически активные материалы могут быть использованы в медицине для диагностики и лечения различных заболеваний. Это может быть полезно, например, для создания датчиков, которые могут реагировать на изменения состояния тканей или органов. Антибактериальные гидрогели могут быть использованы для создания медицинских изделий, которые не только быстро заживляют раны, но и защищают от инфекций. Более того, все перечисленные материалы более прочные и легкие, по сравнению с аналогами, они не вызывают иммунного ответа в организме и могут быть функционализированы в процессе экологичных, одностадийных синтезов. 4. Создание новых рабочих мест. Данный проект имеет перспективы в коммерциализации и масштабировании производства, что может привести к созданию новых рабочих мест в различных отраслях промышленности. Таким образом, результаты проекта по аддитивным и биосинтетическим подходам получения гибридных материалов на основе природных склеропротеинов имеют большой потенциал для практического применения в экономике и социальной сфере. Создание новых материалов и технологий может привести к экономическому росту и социальному развитию Российской Федерации, а также улучшению качества жизни людей. Таким образом разработка новых усовершенствованных материалов на основе шелковых биополимеров имеет огромный потенциал для создания инновационных материалов и технологий в медицине, которые могут улучшить качество жизни пациентов, а также привести к экономическому росту и социальному развитию.