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 23-19-00566

НазваниеРазработка технологических основ программируемого послойного синтеза сложных оксидов Ce(III, IV), Mn(III,IV) и их композитов с биополимерами и гидроксиапатитом и создание новых биомедицинских материалов

РуководительТолстой Валерий Павлович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словапокрытия, нанотехнология, сложные оксиды, композиты, гибридные соединения, гидроксиапатит, биоматериалы, автоматизированные установки

Код ГРНТИ76.09.99

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект направлен на создание научных и технологических основ синтеза в условиях послойной химической сборки (ПХС) покрытий из сложных оксидов Ce(III, IV), Mn(III,IV) и др. с общей формулой M_1,xM_2Oy·nH_2O, где M_1 = Zn(II), Cu(II), Mg(II), Fe(II,III), Ag(0,I) и др.; M_2 = Ce(III,IV), Mn(III,IV) и их композитов с гидроксиапатитом и/или гибридных соединений с молекулами биоорганических веществ, в том числе биополимеров и т.д., обладающих широким спектром практически важных свойств, включая антиоксидантные, бактерицидные, противовоспалительные, ранозаживляющие, остеогенные и противораковые. Предполагается решить важные научные проблемы синтеза данных соединений на поверхности широкого круга подложек как по составу, так и морфологии, в том числе на полимерных подложках и получить на их основе новые материалы для медицинских приложений, обладающих пролонгированным действием. Среди таких подложек будут опробованы хирургические нити, тканевые повязки, металло-пластиковые катетеры, 3D имплантаты и т.д. Разработка подобных материалов относится к приоритетным областям исследований в современной медицине. Различные покрытия из оксидов ряда металлов на поверхности изделий медицинского назначения обладают, например, широкой антимикробной активностью в отношении бактерий (как грамположительных, так и грамотрицательных), вирусов, грибков и простейших. Причем, механизм их действия в отношении бактерий отличается от стандартных механизмов действия антибиотиков, что позволяет преодолеть множественную лекарственную устойчивость (МЛУ). При этом сложные оксидные системы, включая двойные или тройные сложные оксиды и гидроксиды, и их нанокомпозиты с различными металлами/неметаллами, а также полимерами, полипептидами и антибиотиками демонстрируют наличие у них синергетического эффекта по сравнению с активностью индивидуальных оксидов. Использование именно таких наноразмерных оксидов может решить одновременно несколько важных практических задач биомедицинского материаловедения и среди них создания препаратов с низкой токсичностью, сохранения высокой пролонгированной активности при одновременном снижении их дозы, уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду, придания эффективной антимикробной защиты изделиям медицинского назначения и т.д. ПХС является эффективным инструментом в нанотехнологии при синтезе наноразмерных неорганических, композитных и гибридных объектов на поверхности широкого круга подложек. Возможности методов ПХС наглядно проявляются на примерах задач создания подобных высокоэффективных биоматериалов и, более того, следует специально подчеркнуть, что ряд таких задач можно решить только при использовании данного подхода к синтезу. К таким задачам, например, относится получение гибридного композитного покрытия оптимальной толщины на развитой и макропористой поверхности имплантатов, в том числе на основе биоразлагаемых полимеров. Причем свойства таких покрытий могут в широких пределах варьироваться путем изменения условий синтеза, в частности, изменения числа циклов ПХС. В рамках представленного проекта, полученные методами ПХС материалы также будут рассмотрены в качестве покрытий сложных объектов, в частности 3D каркасов, например из PLA, полученных с помощью 3D печати. Важную часть работы будет составлять разработка основ нанотехнологии получения покрытий из тех составов, которые будут проявлять уникальные и конкурентные практически важные свойства. Данная разработка будет включать также создание прототипов серийных автоматизированных установок синтеза таких покрытий, их испытание и проведение предварительного технико-экономического обоснования эффективности их использования в условиях серийного производства.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны и обоснованы оптимальные условия и маршруты синтеза в условиях послойной химической сборки (ПХС) нанослоев гидратированных сложных оксидов Mn (III,IV) и Ce(III,IV), а именно, оксидов с общей формулой M_1,xM_2O_y·nH_2O, где M_1 = Zn(II), Cu(II), Mg(II), Fe(II,III), Ag(0,I) и др., M_2 = Mn (III,IV) или Ce(III,IV), а также их гибридных соединений с рядом биополимеров, например хитозаном, или композитных соединений с гидроксиапатитом. Будет выполнена оптимизация условий их синтеза с учетом выбора наилучших значений концентрации и значений рН растворов реагентов, последовательности обработки ими и способа подготовки поверхности подложек перед синтезом. Кроме того, будут рассмотрены особенности синтеза в условиях ПХС покрытий на поверхности подложек с различной морфологией, включая порошки, волокна, пластины, стержни, трубки и т.д. Среди таких подложек будут опробованы хирургические нити, тканевые повязки, металло-пластиковые катетеры, 3D имплантаты, в том числе полученные по аддитивной технологии и биорастворимые и т.д. Все полученные соединения будут охарактеризован с помощью современных физических методов и будет получен большой массив информации об их составе, кристаллической структуре и морфологии. Важную часть работы будет составлять изучение антиоксидантных и бактерицидных свойств синтезированных соединений и сравнительный анализ полученных результатов с известными из мировой литературы с точки зрения возможности патентования полученных результатов. Ожидается, что среди синтезированных и изученных соединений будут такие, которые будут проявлять более активные и конкурентные свойства и для них предполагается провести более полное изучение противовоспалительных, ранозаживляющих, остеогенных и противораковых свойств. Кроме этого, предполагается создать прототипы серийных автоматизированных установок для синтеза покрытий, имеющих наибольшее практическое значение, провести их испытание и выполнить предварительное технико-экономическое обоснования эффективности их использования в условиях серийного производства. Полученные результаты предполагается изложить в не менее, чем 10 научных статьях в международных журналах, индексируемых в Scopus и/или WoS, в том числе из списка Q1 или Q2, а также в случае наличия патентной новизны и практического значения предварительно изложить их в заявках на патенты РФ.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения настоящего проекта выполнен большой объем экспериментальной работы, существенно превышающий запланированный. В первую очередь, в соответствии с ранее утвержденным планом был проведен широкий круг экспериментов по оптимизации условий синтеза методом Ионного Наслаивания (ИН) на поверхности ряда подложек нанослоев сложных оксидов Mn(III,IV) с общей формулой M_xMnOy·nH_2O, где M = Zn(II), Cu(II), Mg(II), Fe(II,III), Ag(0,I) и др. При этом в качестве реагентов при синтезе использовали водные растворы сульфатов Fe(II,III) и различных солей катионов Zn(II), Cu(II), Mg(II) и Mn(II) включая их нитраты, хлориды, сульфаты и ацетаты и, кроме того, варьировали значения рН водных растворов данных солей путем добавления в их состав растворов KOH или кислоты с соответствующим анионом. Синтезы выполняли с использованием специальных автоматизированных лабораторных установок как на поверхности модельных подложек кремния или титана, так и поверхности полимеров, которые являются основой многих медицинских изделий. Образование покрытий на поверхности таких подложек фиксировали методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, ИК-Фурье спектроскопии диффузного отражения и, таким образом, определяли их морфологию и химический состав. Первые серии экспериментов с образцами, полученными в результате 5, 10 и 15 циклов ИН позволили установить, что данным методом могут быть фактически синтезированы все из указанных выше в общей химической формуле сложных оксидов, а также нанокомпозиты Ag(0)_xMnO_y·nH_2O. Бактерицидные свойства основной части из данных образцов оценивались по методике диффузии в агар и эти эксперименты позволили установить, что наилучшие свойства проявляют покрытия с условным составом Ag_MnO_y и Zn_MnO_y, а также композитные покрытия данного состава с гидроксиапатитом и одним из биополимеров. В работе также было показано, что в результате распыления водного раствора MnSO_4 на поверхность раствора щелочи на границе раздела раствора щелочи и воздуха образуются открытые микрокапсулы размером 1-5 мкм со стенками из Mn_3O_4 и уникальной морфологией. Данные стенки имеют толщину 80-120 нм и состоят из массива нанолистов Mn_3O_4 с толщиной 2-3 нм ориентированных преимущественно в радиальном направлении по отношению к центру микрокапсулы. Вокруг отверстия большинства микрокапсул имеется специальный "ободок" высотой 100-200 нм который может являться своеобразным “фундаментом” при закреплении таких микрокапсул на поверхности подложки в процессе нанесения по методике Лэнгмюра-Шафера. Также было показано, что при обработке газообразным аммиаком поверхности водного раствора смеси солей AgNO_3 и Ce(NO_3)_3 на ней образуется слой композита из коллоидных ограненных (или по другой терминологии мезо-) кристаллов и нанолент Ag(0), а также нанокристаллов CeO_2. Исследование такого композита методами СЭМ, дифракции рентгеновских лучей, РСМА, ПЭМ, СПЭМ и ПЭМ высокого разрешения показало, что наноленты имеют ширину около 50-150 нм и длину до 2-3 мкм, и на их поверхности находятся нанокристаллы CeO_2 размером 2-3 нм. Коллоидные кристаллы размером в несколько микрометров состоят из отдельных практически одинаковых нанокристаллов серебра размером около 20 нм. На основе полученных результатов построены схемы химических реакций, которые протекают при синтезе, и сделаны рекомендации по применению полученных соединений на практике. Подводя один из итогов изложения материалов отчета, следует специально отметить, что в течение отчетного периода за 2023 год были выполнены эксперименты по синтезу нанокомпозитов сложных оксидов марганца не только с хитозаном, но и с рядом других биополимеров. Существенно расширен также и круг подложек, на которые наносились покрытия – в качестве таковых использовались не только данные полимеры, но и пластины из титана и одного из сплавов никеля. Всего направлено в печать 4 статьи, 2 из которых уже приняты для опубликования и 2 находятся на стадии рецензирования в журналах из списка Q1 и Q3, а также сделано 2 пленарных и один устный доклад на российских конференциях с международным участием. Проведен анализ большого числа патентов в области создания бактерицидных покрытий и сравнение изложенных в них результатов с полученными нами в ходе выполнения рассматриваемого проекта. Данный анализ показал оригинальность предлагаемых подходов к синтезу и это позволило инициировать работу по подготовке заявки на патент РФ, которая будет направлена на экспертизу в начале 2024 года.

 

Публикации

1. Толстой В.П., Гулина Л.Б., Шиловских Э.Э. 2D nanocrystals of zinc and manganese (II, III) oxides with morphology of perforated nanosheets obtained using hydrolysis reactions of Mn(OAc)2 and Zn(OAc)2 by gaseous ammonia on the surface of their aqueous solutions Журнал Неорганической химии, - (год публикации - 2024)

2. Толстой В.П., Шиловских Э.Э., Гулина Л.Б. The effect of Ag(0) colloidal crystals and nanoribbons formation as a result of the redox reaction between Ce(III) and Ag(I) cations occurring on the surface of an aqueous solution of their salts mixture Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, - (год публикации - 2024)

3. Толстой В.П., Мелешко А.А., Голубева А.А. Аэрозоли водных растворов солей металлов как прекурсоры при получении открытых микрокапсул со стенками из нанокристаллов оксигидроксидов металлов Сборник тезисов докладов VII-ой международной конференции стран СНГ «Золь-гель 2023», Москва, 2023, Сборник тезисов докладов VII-ой международной конференции стран СНГ «Золь-гель 2023», Москва, 2023, стр. 21 (год публикации - 2023)

4. Толстой В.П., Мелешко А.А., Никифоров К.А. ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫЕ 2D НАНОКРИСТАЛЛЫ ОКСИГИДРОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ С МОРФОЛОГИЕЙ НАНОЛИСТОВ КАК ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ Сборник тезисов докладов XII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения», Иваново, 2023, Сборник тезисов докладов XII Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения», Иваново, 2023, стр. 15-16 (год публикации - 2023)

5. Толстой В.П., Мурин И.В. Послойная химическая сборка наноматериалов для топливных ячеек и электролизеров. Обзор результатов Сборник тезисов докладов Деcятой Всероссийской конференции с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», Черноголовка, 2023, Сборник тезисов докладов Деcятой Всероссийской конференции с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», Черноголловка, 2023, стр. 163-164 (год публикации - 2023)