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 24-43-00171
НазваниеНовые магнитоэлектрические наноматериалы для беспроводной электростимуляции в нейрорегенеративной медицине
РуководительЧернозем Роман Викторович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2026 г. |
Конкурс№86 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC).
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые словаМагнетоэлектрики, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, магнитные материалы, биосовместимые материалы, наночастицы, гетероструктура, полимеры, гидрогели, скэффолды, электростимуляция, регенеративная медицина, нейродегенеративные заболевания
Код ГРНТИ76.09.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Лечение нейродегенеративных заболеваний (болезнь Паркинсона, Альцгеймера, и др.) и нейротравм, вызванных войной, транспортировкой, различными болезнями и старением, должно отвечать высоким клиническим требованиям. Исследования подтвердили, что внешняя электрическая стимуляция положительно влияет на активацию клеточных ионных каналов, регулируя иммунную микросреду, тем самым способствуя передаче электрического сигнала между нейронами и активируя регенерацию нервной ткани. Однако, макроскопические методы электростимуляции нервной ткани несут высокие риски, связанные с возможностью возникновения инфекции, и потребуют дополнительного инвазивного вмешательства в организм.
Одни из наиболее перспективных материалов, которые способны обеспечить беспроводную (неинвазивную) электростимуляцию клеток и регенерацию нервной ткани с помощью воздействия клиническим безопасным низкоинтенсивным внешним магнитным полем, являются магнитоэлектрические (МЭ) композитные структуры. Тем не менее, существующие сложности, связанные с разработкой магнитоэлектрических структур на основе биосовместимых материалов с высокой эффективностью преобразования энергии магнитного поля в электрическую, определением безопасных режимов эксплуатации и влиянием на клеточном уровне, ограничивают их клиническое применение. Кроме того, физика, лежащая в основе управления нейронной сетью в микро- или наномасштабе, является сложной научно-технической задачей из-за множества технических трудностей.
Опыт российского и китайского научных коллективов позволит обеспечить успешное выполнение проекта, ориентированного на разработку новых магнитоэлектрических материалов для лечения неврологических заболеваний и восстановления нервной ткани посредством электростимуляции и регуляции иммунной микросреды. Основываясь на принципах магнитоэлектрического эффекта, будут разработаны новые наноматериалы с эффективным преобразованием магнитной энергии в электрическую. Также биосовместимые и биодеградируемые 3Д электроактивные гидрогели, имитирующие нейронный внеклеточный матрикс, будут получены на основе магнитоэлектрических наноматериалов. Данные материалы позволят изучить молекулярные механизмы магнитоэлектрической стимуляции для контроля поляризации макрофагов, электрофизиологии и дифференцировки нейронов. Будет также изучен синергетический эффект электрической стимуляции и контроля иммунной микросреды на лечение нейродегенеративных заболеваний и регенерацию нервов.
Таким образом, разработка новых структур с высоким магнитоэлектрическим откликом на основе биосовместимых материалов в рамках сотрудничества Китая и России является многообещающей для нейрорегенеративной медицины. Более того, результаты этой работы могут ускорить исследовательский прогресс в области разработки медицинских изделий и их клиническое применение. Важно отметить, что предлагаемый проект соответствует современному уровню техники, не имеющему зарубежных аналогов.
Ожидаемые результаты
Проект является междисциплинарным исследованием в области новых композитных мультиферроиков на основе биосовместимых материалов, которые можно использовать в регенеративной медицине для лечения нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера, Паркинсона и др.) и восстановления поврежденных участков нервной ткани. Выполнение проекта позволит получить прорывные научные результаты, которые обеспечат существенный задел российских ученных в области разработки уникальных «умных» 1Д и 3Д материалов, которые с помощью прямого физического воздействия или в комбинации с лекарственными препаратами позволят управлять дифференцировкой и ростом клеток. В будущем, разработанные магнитные и электроактивные материалы могут быть использованы для регенерации других видов тканей, как костная и кожная.
Для достижения поставленной цели будут получены следующие результаты:
1. Будут разработаны новые биосовместимые МЭ наногетероструктуры размерами менее 100 нм и прогнозируемыми физическими характеристиками (магнитные, магнитострикционные, пьезоэлектрические, сегнетоэлектрические и МЭ свойства), которые сопоставимы с аналогами, состоящих из потенциально опасных элементов для организма, как кобальт- или свинец-содержащие материалы, наиболее широко применяемые в настоящее время;
2. Будет установлено влияние химико-термодинамических условий синтеза на механизмы структурно-фазообразования тонкой сегнетоэлектрической оболочки перовскита системы Ba(1-x)CaxZryTi(1-y)O3 на поверхности магнитных шпинельных наноструктур различного размера (менее 100 нм) и формы;
3. Будут разработаны высокоэффективные платформы на основе МЭ наногетероструктур, которые способны одновременно обеспечить контролируемую беспроводную электростимуляцию и управляемое высвобождение лекарств с целью оказания необходимого терапевтического эффекта на клетки.
4. Будут разработаны новые физико-химические подходы для получения новых типов гибридных МЭ 3Д биомиметических гидрогелей с контролируемой вязкоупругостью, скоростью биоразложения и высокими МЭ свойствами, обеспечивающими эффективную электрическую стимуляцию клеток;
5. Будут установлены физические механизмы поляризации и формирования поверхностного заряда в разработанных МЭ наногетероструктурах и биомиметических гидрогелях в зависимости от параметров внешнего магнитного поля, а также концентрации и ориентации нанонаполнителей различной формы и размеров в случае гибридных МЭ гидрогелей;
6. Будет получена биосовместимая гибридная 3Д гидрогелевая платформа с усиленным МЭ откликом за счет донорно-акцепторного взаимодействия, образованного между поверхностно-функционализированными МЭ наночастицами, проводящим восстановленными оксидом графена (ВОГ) и матрицей гидрогеля.
7. Будут установлены закономерности и механизмы поляризации макрофагов, дифференцировки и электрофизиологической активности нейронов с помощью электрической стимуляции, генерируемой разработанными МЭ материалами, управляемыми внешним магнитным полем;
8. Будут in vivo исследованы пространственно-временные паттерны транспорта МЭ наночастиц (НЧ) из носовой полости в мозг, влияния МЭ-стимуляции на клеточный захват НЧ в носовой полости и их биораспределение в центральной нервной системе (ЦНС). Будут изучены эффекты электростимуляции нейронов ЦНС, с помощью поляризации МЭ НЧ, индуцироованной переменным магнитным полем, на агрегацию альфа-синуклеина и образования стресс-гранул у мышей дикого типа и конгенных им особей, генетически склонных к развитию болезни Паркинсона, на разных стадиях заболевания.
9. Будут выполнены систематические in vitro и in vivo исследования терапевтического эффекта, достигаемого за счет беспроводной электростимуляции нейронов и контроля иммунной микросреды, обеспечивающих лечение нейродегенеративных заболеваний и индукцию регенерации нервов; разработать новые техники и методологию беспроводной электростимуляции для лечения неврологических заболеваний и восстановления нервных повреждений.
Представленные результаты исследования соответствуют мировому уровню. Следует отметить, что подобные комплексные междисциплинарные исследования ранее не проводились в России и Китае. Внедрение результатов научного исследования позволит обеспечить снижение зависимости РФ от зарубежных технологий и импорта аналогов, а также достигнуть повсеместного увеличения качества жизни населения и снижения стоимости/продолжительности лечения пациентов. Результаты проведенных исследований будут сделаны общественным достоянием путем опубликования серии статей в высокорейтинговых журналах (Q1), индексируемых в системе Web of Science (WoS) и Scopus (не менее 10 печатных работ). Кроме того, результаты проекта будут представлены широкой общественности в качестве докладов на различных российских и международных конференциях и симпозиумах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ