Разработка новых бактерицидных поверхностей на основе изучения основных механизмов подавления возбудителей бактериальной и грибковой инфекции

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 проекта 20-19-00120

НазваниеРазработка новых бактерицидных поверхностей на основе изучения основных механизмов подавления возбудителей бактериальной и грибковой инфекции

Руководитель Штанский Дмитрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 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 слова Инженерия поверхности, тонкие пленки и покрытия, функционализация поверхности, биоматериалы, бактерицидные поверхности, теоретическое моделирование

Код ГРНТИ34.57.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Увеличение продолжительности и качества жизни населения во многом зависит от решения важной научной проблемы: подавление бактериальной и грибковой инфекции вследствие различных видов хирургического вмешательства после травм, переломов, потерей конечностей, болезней (остеопороз, несовершенный остеогенез, рахит, остеосаркома и др.), укусов зверей и насекомых. Не менее актуальной научной проблемой является очистка питьевой воды от патогенных микроорганизмов и бактериальных токсинов в местах экологических загрязнений и техногенных катастроф. Несмотря на значительный прогресс в области разработки и создания антибактериальных поверхностей, в настоящее время нет четкого понимания того, что является основной причиной гибели определенного типа бактерий, которые различаются по форме, размеру, толщине клеточной стенки, составу наружной мембраны и многим другим характеристикам. В рамках настоящего проекта будут разработаны различные научные подходы к созданию биосовместимых поверхностей с высокой бактерицидной активностью в отношении патогенных микроорганизмов. Антибактериальная активность разрабатываемых материалов будут основана на следующих основных механизмах подавления бактериальной и грибковой инфекции и их комбинации: (1) контролируемом выходе бактерицидных ионов, (2) образовании реактивных форм кислорода (свободных радикалов), (3) создании микрогальванических пар, (4) механической деактивации бактерий при их непосредственном физическом контакте с поверхностью, (5) поверхностной иммобилизации антибиотиков и нитрозо- соединений, выделяющих нитроксильные радикалы. Реализация проекта подразумевает постановку и решение ряда новых научных задач. Изучение возможностей деактивации бактерий при их непосредственном контакте с наноструктурированной поверхностью. В рамках проекта впервые будут получены тонкие пленки, состоящие из сферических наночастиц гексагонального нитрида бора (h-BN) размером менее 500 нм, образованных многочисленными нанопластинами и наноиглами, толщина которых составляет 1-2 нм. Предполагается, что мембрана бактерии может быть повреждена при их контакте с острым краем нанопластин и наноигл. Гибель бактерий при их контакте с острыми краями наноструктур ранее наблюдали на примере углеродных нанотрубок, черного кремния и наностержней оксида цинка, однако объяснение этому явлению отсутствует. Впервые будет изучена возможность достижения синергетического бактерицидного эффекта за счет механического повреждения мембраны бактерий и последующего действия бактерицидных ионов или лекарственных препаратов. Для этого впервые будут разработаны и получены антибактериальные покрытия на основе h-BN, насыщенные антибиотиком или допированные антибактериальным компонентом, способным выделять бактерицидные ионы или генерировать свободные радикалы.. Впервые будут получены сферические гибридные наночастицы на основе h-BN, декорированные бактерицидными частицами и нагруженные антибиотиками. Предполагается, что локальный выход низкой дозы антибиотиков, по сравнению с лекарственной терапией, обеспечит сильный, но кратковременный, бактерицидный эффект, тогда как контролируемый выход бактерицидных ионов обеспечит пролонгированную бактериальную защиту. На примере ряда новых фото-каталитических систем будет изучено перераспределение заряда между поверхностью наночастиц оксидов металлов (MeO) и окружающей полупроводниковой матрицей в процессе облучения светом. В качестве матрицы будут использоваться покрытия на основе Ti(C,N,O), в том числе легированные функциональными добавками (Ca, P). Впервые данные материалы будут подвергнуты рентгеновскому облучению. Будет изучен процесс генерации и рекомбинации свободных радикалов в ряде фото-каталитических систем при различных видах облучения (рентген, УФ, видимый свет) или его отсутствии (темнота). Будет выполнено сравнение процессов генерации и рекомбинации свободных радикалов при обработке видимым светом, ультрафиолетовым и рентгеновским облучением. На примере ряда модельных систем, состоящих из оксидов переходных металлов и наночастиц благородных металлов, будет изучено разделение заряда и формирование устойчивых микрогальванических пар, способных повреждать мембраны бактерий при их контакте с поверхностью. Впервые будет исследована возможность поражения различных типов бактерий посредством микрогальванического взаимодействия. В рамках проекта будет разработан комбинированный подход к созданию бактерицидных поверхностей, основанный на плазменной полимеризации и послойной иммобилизации различных антибактериальных препаратов для получения покрытий с контролируемым высвобождением бактерицидных агентов и пролонгированным эффектом. На первом этапе планируется осаждение рН-чувствительного плазменного полимера, содержащего карбоксильные группы. В качестве антибактериальных агентов планируются использовать антибиотики, антикоагулянты и нитроксильные радикалы (NO*), которые являются сильными бактерицидными агентами широкого спектра действия. Для включения нитроксильных радикалов в состав полимерных слоев, будут использованы доноры NO* (например, S61 нитрозотиолы или диазенийдиолаты). Будут изучены антибактериальные свойства как моно-модифицированных пленок, так и совокупный эффект от действия различных слоев многослойных покрытий на примере различных патогенных микроорганизмов. Преимущество данного метода состоит в возможности обеспечить значительный и продолжительный антибактериальный эффект при низкой дозе антибактериального агента. Важной научной составляющей проекта является разработка методов и подходов, позволяющих надежно контролировать выход бактерицидных ионов. Будет изучено влияние олигодинамического эффекта (деактивация бактерий и других патогенов при очень малой дозе бактерицидных ионов). Кинетика выхода бактерицидных ионов будет изучена в зависимости от концентрации бактерицидного элемента, степени его агломерации и окисления, шероховатости и топографии поверхности, а также от кинетики процесса окисления поверхности. В рамках проекта требуемая концентрация бактерицидных ионов будет дополнительно достигаться за счет создания на поверхности активных катодов (наночастиц металлов), ускоряющих растворение бактерицидных частиц непосредственно после имплантации. Впервые с применением методов квантовохимичекого моделирования из первых принципов будет исследовано комплексное влияние как механических свойств, так и инициации электронных переходов на способность исследуемого материала проявлять антибактериальные свойства. Новизной настоящего проекта также является использование широкого спектра патогенов, взаимодействие с которыми разрабатываемых материалов ранее не изучалось. Эффективность разрабатываемых поверхностей будет подтверждена на примере грамположительных и грамотрицательных бактериальных клеток, в том числе устойчивых к антибиотикам, и различных грибковых штаммов. Наиболее перспективные образцы будут протестированы в отношении госпитальных штаммов со множественной лекарственной устойчивостью. Масштаб и комплексность решаемых научных задач связаны с применением широкого спектра методов и подходов инженерии поверхности, физики, химии, материаловедения, биологии и медицины для изучения процессов взаимодействия патогенных микроорганизмов с поверхностью с целью подавления их роста. Планируемое научное исследование даст новое понимание механизмов деактивации бактерий бактерицидными и биологически безопасными поверхностями.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. К.Ю. Гудзь, Е.С. Пермякова, А.Т. Матвеев, А.В. Бондарев, А.М. Манахов, Д.А. Сидоренко, С.Ю. Филиппович, А.В. Бручков, Д.В. Гольберг, С.Г. Игнатов, Д.В. Штанский Pristine and antibiotic-loaded nanosheet/nanoneedls-based BN films as a promising platform to suppress bacterial and fungal infections ACS Applied Materials & Interfaces, 12 (2020) 42485-42498 (год публикации - 2020)
10.1021/acsami.0c10169

2. Д.В. Штанский Инновационные подходы к созданию бактерицидных поверхностей «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова, «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова, Черноголовка, 26 – 30 октября 2020 г., Сборник тезисов, стр. 8. (год публикации - 2020)
10.26201/ISSP.2020/FPPK.006

3. К. Ю. Гудзь, Е. С. Пермякова, А. Т. Матвеев, А. М. Ковальский, С. Ю. Филиппович, П. В. Слукин, С. Г. Игнатов, Д. В. Штанский Десорбционные свойства, бактерицидная и фунгицидная активность наноструктурированных покрытий на основе гексагонального нитрида бора, насыщенных терапевтическими препаратами Российские нанотехнологии, 2020, том 15, № 4, стр. 470-476 (год публикации - 2020)

4. Гудзь К.Ю. Получение наноструктурированного антибактериального покрытия широкого спектра действия на основе нитрида бора XVII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов "Физико-химия и технология неорганических материалов" (с международным участием), 2020, стр. 125-126 (год публикации - 2020)

5. Е.С. Пермякова, Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, В.А. Пономарев, А.Н. Шевейко, С.А. Добрынин, Джщзеф Полак, П.В. Слукин, Ы.П. Игнатов, Антон Манахов, С.А. Кулинич, Д.В. Штанский Antibacterial activity of therapeutic agent-immobilized nanostructured TiCaPCON films against antibiotic-sensitive and antibiotic-resistant Escherichia coli strains Surface & Coatings Technology, 405 (2021) 126538 (год публикации - 2021)
10.1016/j.surfcoat.2020.126538

6. М.В. Трегубенко, Е.С. Пермякова Разработка антибактериальных гидрофобных тканей для спортивной одежды Материалы XXII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Химия и химическая технология в 21 веке", том 2, стр. 383-384 (год публикации - 2021)

7. К.Ю. Гудзь, Л.Ю. Антипина, Е.С. Пермякова, А.М. Ковальский, А.С. Конопацкий, С.Ю. Филиппович, И.А. Дятлов, П.В. Слукин, С.Г. Игнатов, Д.В. Штанский Ag-Doped and Antibiotic-Loaded Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles as Promising Carriers to Fight Different Pathogens ACS Applied Materials & Interfaces, 13 (2021) 23452−23468 (год публикации - 2021)
10.1021/acsami.1c03775

8. Л.Ю. Антипина, К.Ю. Гудзь, Е.С. Пермякова, А.М. Ковальский, А.С. Конопацкий, С.Ю. Филиппович, И.А. Дятлов, П.В. Слукин, С.Г. Игнатов, Д.В. Штанский Theoretical Investigation and Preparation of Nanohybrid Materials Based on Hexagonal Boron Nitride Nanoparticles as Promising Carriers to Fight Bacterial and Fungal Infections Novel Photonic, Optoelectronic and Electronic Materials for Real World Applications, https://www.spb-poem.com (год публикации - 2021)

9. Гудзь К.Ю. Разработка наночастиц на основе гексагонального нитрида бора легированных бактерицидными компонентами для борьбы с инфекциями Материалы международного молодежного научного форуму Ломоносов-2021, [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, 2021. – 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); 12 см. – 2000 экз. (год публикации - 2021)

10. Пономарев В.А., Шевейко А.Н., Купцов К.А., Кучмижак А.А., Штанский Д.В. Изучение поглощательной способности, дзета-потенциала и генерации АФК покрытиями TiCaPC(Si)ON-Pt,Fe под действием различных видов облучения Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021», [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс, 2021. – 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); 12 см. – 2000 экз. (год публикации - 2021)

11. В.А. Пономарев, Е.С. Пермякова, А.Н. Шевейко, К.А. Купцов, А.А. Кучмижак, Д.В. Штанский Изучение поглощательной способности и генерации активных форм кислорода многокомпонентными покрытиями, декорированными наночастицами Pt и Fe Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка, часть 2, 2021, стр. 149-152 (год публикации - 2021)

12. Трегубенко М.В., Пермякова Е.С., Ковальский А.М., Штанский Д.В. Поверхностная модификация стрейч-котоновой ткани наночастицами BN, BN/Fe, BN/Ag с целью придания им гидрофобных и антибактериальных характеристик Материалы международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ломоносов-2021, lomonosov2021.chem.msu.ru (год публикации - 2021)

13. Наноструктурированное гексагональное покрытие BN поддерживающее наночастицы серебра и оксида железа и связанные с ними бактерицидная и фунгицидная активность Nanostructured hexagonal BN coating-supported silver and iron oxide nanoparticles and related bactericidal and fungicidal activities Applied Surface Science, 603, 154418 (год публикации - 2022)
10.1016/j.apsusc.2022.15441

14. БАКТЕРИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЧАСТИЦАМИ Ag И Fe БАКТЕРИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЧАСТИЦАМИ Ag И Fe EurasiaScience, 2022, 80-81 (год публикации - 2022)

15. Антибактериальная, УФ-защитная, гидрофобная, моющаяся и термостойкая текстильная ткань с покрытием из наночастиц на основе BN: экспериментальное и теоретическое понимание Antibacterial, UV-protective, hydrophobic, washable and heat-resistant BN-based nanoparticle coated textile fabric: experimental and theoretical insight ACS Applied Bio Materials, 2022 (год публикации - 2022)
10.1021/acsabm.2c00651

16. Метод повышения биоактивности и бактерицидности покрытий, полученных методом микродугового оксидирования Метод повышения биоактивности и бактерицидности покрытий, полученных методом микродугового оксидирования Физико-химия и технология неорганических материалов, нет (год публикации - 2022)

17. Недавний прогресс в получении и применении BN наноструктур и наногибридов на основе BN Recent Progress in Fabrication and Application of BN Nanostructures and BN-Based Nanohybrids Nanomaterials, 12, 2810 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12162810

Публикации