Получение и исследование гибридных биодеградируемых пьезоэлектрических скэффолдов с магнитными свойствами

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 22-13-20043

НазваниеПолучение и исследование гибридных биодеградируемых пьезоэлектрических скэффолдов с магнитными свойствами

Руководитель Сурменев Роман Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Биодеградируемые скэффолды, гибридный имплантат, пьезоэффект, оксид графена, магнетит, магнитное поле

Код ГРНТИ81.09.00; 81.09.03; 76.09.99

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В рамках проекта будут получены и исследованы новые типы композитных пьезополимерных материалов, содержащих в своем составе магнитную фазу на основе наночастиц магнетита, модифицированного оксидом графена или восстановленным оксидом графена, что позволит достичь стимулирующего эффекта на клетки и ткани в результате изменения поляризации композитных скэффолдов при приложении внешнего магнитного поля и/или магнитомеханического эффекта в результате механических колебаний/деформации скэффолдов. Каждый из приведенных эффектов может существенным образом определять поведение клеток in vitro и тканей in vivo, что не исследовано до настоящего времени в достаточной степени. Такие биодеградируемые гибридные скэффолды, обладающие одновременно пьезоэлектрическими и магнитными свойствами, являются потребностью современной высокотехнологичной медицины. В настоящее время неисследованными являются физические механизмы формирования пьезоэлектрического поверхностного потенциала в зависимости от частоты и магнитной индукции внешнего магнитного поля, поэтому целью данного проекта является разработка различных способов получения и доклиническая оценка физико-механических и электрофизических свойств гибридных биодеградируемых полимерных скэффолдов, содержащих в своем составе модифицированную магнитную фазу, с различной структурой и пористостью на мезо- и микроуровнях, предназначенных для коррекции или восстановления дефектов костной системы человека. В зависимости от поставленной цели сформулированы основные задачи исследования, которые приведены далее: 1. Исследование новых способов получения гибридных биодеградируемых скэффолдов на основе поли-L-лактида (ПЛЛА), модифицированного композитными наночастицами магнетита, функционализированного восстановленным оксидом графена (Fe3O4/rGO) (или оксидом графена, Fe3O4/GO), для контроля поляризации и поверхностного заряда композитов. 2. Исследование различных способов контроля фазового и химического состава, микроструктуры и пористости скэффолдов на субмикро- и мезоуровнях. 3. Исследование физико-механических характеристик (модуль Юнга, прочность на растяжение) гибридных пьезополимерных скэффолдов в зависимости от содержания магнитной фазы Fe3O4/rGO или Fe3O4/GO. 4. Исследование механизмов адгезии, пролиферативной активности и остеобластической дифференцировки клеток в модельных исследованиях in vitro при варьировании параметров внешнего магнитного поля. 5. Оптимизация свойств скэффолдов, включая структуру, концентрацию и тип магнитного наполнителя, а также параметры внешнего магнитного поля для улучшения адгезионных, пролиферативных свойств и способности к дифференцировке клеток in vitro. 6. Оценка выраженности остеоинтеграции и остеокондуктивных характеристик гибридных скэффолдов в модельных исследованиях in vivo с использованием мелких лабораторных животных при воздействии внешнего магнитного поля. Оценка результатов модельных исследований in vivo с помощью лабораторных тестов: томография области имплантации, рентгенологическая денситометрия, исследование гистологических срезов, биомеханическое исследование выраженности остеоинтеграции, включая исследования с использованием методов компьютерной томографии. В результате реализации проекта будут отработаны новые способы получения композитных пьезоэлектрических полимерных скэффолдов с магнитными свойствами с контролируемой пористой структурой и повышенными остеоинтеграционными характеристиками, при этом, стимулирующими ангиогенез, превосходящими по своей выраженности известные мировые достижения в области изготовления остеоинтегрируемых биодеградируемых гибридных пьезополимерных материалов. Проведение всего комплекса исследований в рамках заявленного на конкурс проекта позволит прогнозировать более высокие эксплуатационные характеристики биомедицинских изделий, что в конечном итоге отразится на снижении финансовой стоимости хирургического лечения пациентов с врожденной или приобретенной патологией и травмами костной системы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Парий И.О., Чернозем Р.В., Чернозем П.В., Мухортова Ю.Р. Скиртач А.Г., Швартсман В.В., Лупаску Д.С., Сурменева М.А. Матур С., Сурменев Р.А. Hybrid biodegradable electrospun scaffolds based on poly(l-lactic acid) and reduced graphene oxide with improved piezoelectric response Polymer Journal, Polymer Journal, volume 54, pages 1237–1252, (2022) (год публикации - 2022)
10.1038/s41428-022-00669-1

2. Ковалева П.А., Парий И.О., Чернозем Р.В., Задорожный М.Ю., Пермякова Е.С., Колесников Е.А., Сурменева М.А., Сурменев Р.А., Сенатов Ф.С. Shape memory effect in hybrid polylactide-based polymer scaffolds functionalized with reduced graphene oxide for tissue engineering European Polymer Journal, European Polymer Journal 181 (2022) 111694 (год публикации - 2022)
10.1016/j.eurpolymj.2022.111694

3. Влияние флексоэлектрического эффекта на свойства материалов с акцентом на фотоэлектрические и смежные применения: обзор The influence of the flexoelectric effect on materials properties with the emphasis on photovoltaic and related applications: a review Materials Today, Volume 67, July–August 2023, Pages 256-298 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mattod.2023.05.026

4. Комплексное in situ исследование синтеза магнитных нанокомпозитов на основе магнетита и восстановленного оксида графена A comprehensive study on in situ synthesis of a magnetic nanocomposite of magnetite and reduced graphene oxide and its effectiveness at removing arsenic from water Nano-Structures & Nano-Objects, 36 (2023) 101028 (год публикации - 2023)
10.1016/j.nanoso.2023.101028

5. бин Фироз А., Рыбаков В., Фетисова А.А., Шлапакова Л.Е., Парий И.О., Торопков Н., Ложкомоев А.С., Мухортова Ю.Р., Шаронова А.А., Вагнер Д.В., Сурменева М.А., Холкин А.Л., Сурменев Р.А. 3D-Printed biodegradable composite poly(lactic acid)-based scaffolds with a shape memory effect for bone tissue engineering Advanced Composites and Hybrid Materials, doi.org/10.1007/s42114-024-01084-1 (год публикации - 2025)
doi.org/10.1007/s42114-024-01084-1

6. Шлапакова Л.Е., Сурменева М.А., Холкин А.Л., Сурменев Р.А. Revealing an important role of piezoelectric polymers in nervous-tissue regeneration: A review Materials Today Bio, Materials Today Bio 25 (2024) 100950 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mtbio.2024.100950

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках третьего этапа проекта с использованием метода со-осаждения были получены частицы магнетита различного размера (от наночастиц до частиц субмикронного размера) и исследованы их химический и фазовый состав, микроструктура, магнитные свойства. Были выполнены работы по оптимизации способов получения, обеспечивающих бездефектную структуру образцов. Был выполнен полный комплекс исследований свойств материалов с использованием современной научной базы. Были выполнены работы по установлению способов, обеспечивающих равномерное распределение наночастиц магнетита в пьезополимерной матрице. Были выполнены работы для установления термодинамических характеристик материалов (температура стеклования, температура плавления, степень кристалличности), которые определяют механизмы эффекта памяти формы. Были изучены механизмы и свойства материалов, определяющие эффект памяти формы. Были проведены комплексные исследования двух типов биоразлагаемых материалов биомедицинского назначения, полученных электроформованием и аддитивными способами (3D-печать) с эффектом памяти формы со структурой гироида и с различным коэффициентом заполнения (пьезоэлектрические скэффолды на основе полилактида (ПЛА), а также композитные скэффолды, содержащие наночастицы магнетита (ПЛА/Fe3O4), или восстановленный оксид графена (ВОГ), пластификатор (полиэтиленгликоль, ПЭГ)). Установлено, что введение Fe3O4 приводит к взаимодействию между полимером и наполнителем, включая реакции между сложноэфирными группами ПЛА и катионами железа из Fe3O4, а также образование водородной связи между сложноэфирными группами ПЛА и карбоксильными группами лимонной кислоты, покрывающими поверхность Fe3O4. Обнаружено смещение основных полос карбонильной группы (C=O) ПЛА в рамановских спектрах, свидетельствующее о возникновении молекулярных взаимодействий между наполнителем (Fe3O4-CA или ВОГ) и ПЛА матрицей. Наночастицы Fe3O4 могут выполнять роль катализатора реакции макромолекулярного расщепления, что влияет на процесс кристаллизации. В свою очередь, это приводит к изменению механических характеристик скэффолдов и позволяет контролировать значения модуля упругости. В случае композитных ПЛА/Fe3O4 скэффолдов с коэффициентом заполнения 50% выявлены физико-механические свойства, сопоставимые с характеристиками кортикальной кости человека. Структура электроформованных скэффолдов представлена бездефектными случайно ориентированными волокнами со средним диаметром 1 мкм. Введение в ПЛА скэффолды таких наполнителей, как магнитные наночастицы и ПЭГ, не приводит к существенному изменению структуры волокон. Добавление ВОГ приводит к бимодальному распределению волокон, что обусловлено увеличением вязкости полимерного раствора. Метод рентгенофазового анализа позволил установить, что чистые ПЛА скэффолды, полученные электроформованием, кристаллизуются преимущественно в α–фазе. Добавление наночастиц магнетита, модифицированных лимонной кислотой (Fe3O4-СА), ограничивает кристаллизацию ламелей ПЛА, что приводит к образованию нанокристаллической или рентгеноаморфной структуры. Рамановские спектры чистых и композитных электроформованных скэффолдов содержат пики ПЛА и чистого по фазовому составу магнетита. Степень кристалличности (Xc) скэффолдов снижается при добавлении магнитных наночастиц до 21,7% для Fe3O4 и 11,7% для Fe3O4-СА за счет их агломерации, ограничивающей подвижность полимерных цепей и препятствующей их кристаллизации. Степень кристалличности электроформованных композитов ПЛА/Fe3O4-CA, содержащих ВОГ, повышается относительно композитных образцов ПЛА/Fe3O4-CA от 11,7% до 21,6% вследствие эффекта нуклеации в присутствии двумерного нанонаполнителя (ВОГ). Значительно снижается значение температуры стеклования (Tg) для ПЛА в композите ПЛА/Fe3O4-CA/ВОГ с 49С до 44С. Кроме того, добавление ПЭГ в композиты приводит к повышению значений Xc с 11,7% до 32,4%. Для электроформованных ПЛА скэффолдов установлен коэффициент восстановления формы Rr=98,0% при температуре активации 54 С. Композитные скэффолды в зависимости от типа использованных наполнителей имеют различную тенденцию к проявлению эффекта памяти формы: Rr ПЛА/Fe3O4 составляет 98,4% и для Rr ПЛА/Fe3O4-СА наблюдается снижение до 91,4%. Добавление пластификатора ПЭГ снижает Rr от 91,4% до 89,5% по сравнению с ПЛА/Fe3O4-CA, однако, увеличение теплопроводности материала позволяет активировать эффект памяти формы при более низкой температуре, в среднем составляющей 50,5 С. Скэффолды ПЛА/Fe3O4-CA/ВОГ восстанавливают исходную форму при температуре 42 С, близкой к физиологической температуре. Значение Rr составляет 81% и восстановление формы наблюдается в течение 20-30 с. Композитные скэффолды ПЛА/ПЭГ/Fe3O4-CA показали наилучший результат по восстановлению формы в переменном магнитном поле с Rr = 42% в течение 30 с. Исследование эффекта памяти формы аддитивных образцов с использованием нагретой воды показало высокую способность к восстановлению формы: коэффициент восстановления для пористых композитов на основе ПЛА составил 85%, а для чистого ПЛА со структурой гироида — 75%. Установлено, что скорость восстановления формы выше у скэффолдов со структурой гироида с более низким коэффициентом заполнения. Эффект памяти формы был обнаружен для скэффолдов с различной структурой, при этом полное восстановление формы наблюдалось в случае беспористых стенок ПЛА скэффолдов. В результате проведенных исследований в рамках проекта были разработаны способы получения перспективных пьезополимерных материалов с эффектом памяти формы и различными физико-механическими свойствами (модуль Юнга, прочность на растяжение и сжатие) для применения в качестве костных имплантатов, полимерных имплантатов для сердечно-сосудистой системы и для других биомедицинских приложений (шовный материал, раневые повязки, а также искусственные мышцы и мягкая робототехника).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Реализация проекта, согласно нашим оценкам, может привести к значительным прорывам в следующих сферах: - научной: Благодаря проведению комплекса биологических исследований на клеточном и тканевом уровнях, выявляющих роль и механизмы воздействия микроструктуры изделий на нано-, микро-, и макроуровнях и архитектоники биомедицинских изделий в условиях in vitro и in vivo. - технологической: Благодаря разработке новых способов получения биодеградируемых материалов, обеспечивающих успех имплантации, а также отсутствие необходимости повторных хирургических вмешательств, связанных с последующим удалением изделий. - экономической: Вследствие усиления роли биомедицинской промышленности в России, в частности, в области использования технологий получения биодеградируемых пьезополимерных материалов и изделий на их основе с более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с известными аналогами. - социальной: Вследствие улучшения качества жизни и снижения послеоперационных осложнений у пациентов, перенесших хирургическую коррекцию сложных врожденных и приобретенных патологий костной системы. Основные результаты проекта будут внедрены в образовательные курсы Томского политехнического университета по подготовке бакалавров по специальностям: 200300 – биомедицинская инженерия; 010700 – физика; магистров по направлениям: материаловедение и технология новых материалов, химическая технология неорганических веществ и материалов, физическая химия наноразмерных объектов в живых системах, физика конденсированного состояния, а также аспирантов по специальности физика конденсированного состояния.