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 22-73-10224
НазваниеКомпозиционные наноматериалы для хирургии: настраиваемая пористость, улучшенная биосовместимость, пролонгированная антибактериальная активность
Руководитель Копицын Дмитрий Сергеевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина" , г Москва
Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые слова костные цементы, наноинкапсуляция, пролонгированное высвобождение, наночастицы серебра, порообразователи, нанофибриллярная целлюлоза, галлуазитные нанотрубки, мезопористый диоксид кремния, носители антибиотиков
Код ГРНТИ34.57.21
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Введение в костный цемент антибиотиков является традиционным способом снижения риска послеоперационных имплант-ассоциированных инфекций. При этом полиметилметакрилатный костный цемент нельзя назвать идеальным антибактериальным носителем: нагревание цемента при его полимеримеризации ограничивает спектр применяемых антибиотиков (АБ) и снижает их активность; высвобождается лишь небольшая часть из добавленных в костный цемент АБ и только с поверхностного слоя; увеличение концентрации АБ в цементе в попытке повысить его антибактериальную активность негативно сказывается на механических характеристиках цемента; добавление некоторых АБ (в частности рифампицина) нарушает процесс полимеризации, повышает токсичность и снижает прочность цемента; быстрое падение концентрации высвобождаемого АБ ниже минимальной подавляющей концентрации (МПК) может выступать фактором риска развития антибиотикорезистентности; добавление АБ в костный цемент полностью не защищает его от формирования бактериальной биопленки на поверхности. Для улучшения антибактериальных свойств костного цемента существует необходимость его модификации за счет добавления материалов, способных с одной стороны сохранить или улучшить его механические характеристики (прочность, способность к адгезии к металлическим имплантатам, интердигитацию и т.д) с другой, позволит расширить спектр применяемых антибактериальных агентов способных сочетать разные механизмы подавления роста бактерий и обеспечивать пролонгированное клинически значимое противомикробное действие.
В ходе выполнения проекта будут разработаны новые материалы, сочетающие высокую механическую прочность, комплексную антибактериальную активность и обеспечивающие местное применение антибиотиков с пролонгированным высвобождением. Впервые будет проведено исследование совместного действия антибиотиков и бактерицидных наночастиц в составе костного цемента в условиях инокулирования модельными бактериями, имитирующего послеоперационные инфекции. Комплексная антибактериальная активность за счёт совместного действия антибиотиков и бактерицидных наночастиц серебра позволит существенно снизить риск послеоперационных инфекций, в том числе вызываемых бактериями с множественной устойчивостью к антибиотикам. Будет детально изучено влияние пористости и структуры носителя на динамику высвобождения антибиотиков из матрицы костного цемента, а также изучены закономерности, позволяющие персонализировать терапию с применением костных цементов с учётом, требуемых механической прочности и антибактериального действия.
В результате, применение полученных материалов на практике позволит снизить дозировку или вовсе отказаться от послеоперационной системной антибиотикотерапии, что значительно снижает риски дальнейшего развития множественной устойчивости к антибиотикам.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По результатам выполнения проекта получены подробные данные относительно структурных, механических, морфологических и антибактериальных свойств материалов модифицированных костных цементов, содержащих в качестве добавки композиты на основе фибриллярной целлюлозы с наночастицами серебра (НФЦ/Ag и МФЦ/Ag). Предложен и изучен новый состав композитного материала, получаемого полимеризацией метилметакрилата на волокнах целлюлозы в водной суспензии, который может быть использован как в качестве добавки в существующие коммерческие составы костных цементов, так и выступать основным компонентом разрабатываемых отечественных материалов костных цементов. Отработаны новые методологические подходы к синтезу серебряных наночастиц на поверхности фибрилл целлюлозы, позволяющие надежно зафиксировать наночастицы и предотвратить их вымывание при контакте костного цемента с жидкой средой. Проведены серии экспериментов по модификации поверхности фибрилл целлюлозы с целью добиться её лучшего смешения с гидрофобной полимерной матрицей, при этом сохранить её гидрофильные свойства для обеспечения транспорта воды и высвобождения загруженных антибактериальных агентов из объёма материала костного цемента.
Исследовано влияние содержания предложенных добавок на свойства модифицированных составов костных цементов. Получены данные по динамике высвобождения антибиотика из образцов костных цементов с исследуемыми добавками модификаторов. Изучена динамика высвобождения ионов серебра из состава материалов модифицированных костных цементов. Исследовано влияние модификаторов на прочностные свойства костных цементов, а также на адгезионные свойства таких составов. Представлены данные по оценке воспроизводимости свойств материалов модифицированного костного цемента. Наиболее перспективные образцы модификаторов для костных цементов были синтезированы на основе немодифицированной карбоксилированной нанофибриллярной целлюлозы, а также на основе микрофибриллярной целлюлозы с предварительно полимеризованным ПММА на ее волокнах, позволяющие формировать составы костных цементов с содержанием 5-10%масс. целлюлозы в конечном образце. Продемонстрировано кратное увеличение количества высвобождающегося антибиотика и длительности его высвобождения при внедрении таких модификаторов в состав костного цемента с сохранением механических и адгезионных свойств получаемых материалов на приемлемом уровне для их практического применения.
Высокий потенциал применения исследованных составов модифицированных костных цементов в медицинской практике обусловлен комбинированным противомикробным действием наночастиц серебра и антибиотика. Совместное присутствие антибиотиков и наночастиц серебра в составе костных цементов расширяет круг подавляемых микроорганизмов, усиливает эффективность противомикробных свойств как за счет синергетического действия серебра и антибиотика, так и за счет наноструктурированного носителя наночастиц серебра, влияющего на структуру полимерной матрицы костного цемента, способствуя тем самым более эффективному и длительному высвобождению антибиотика из объема материала. Рассматриваемые материалы модифицированных костных цементов с антибактериальными свойствами представляют интерес и особую значимость в условиях возрастающего спроса в стране на такие высокотехнологичные медицинские материалы отечественного производства.
Публикации
1.
Воронин Д.В., Панченко А.А., Чередниченко К.А., Новиков А.А., Винокуров В.А., Копицын Д.С.
Case study of freezing-induced loading of silver nanoparticles into vaterite microcrystals
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Воронин Д.В., Панченко А.А., Чередниченко К.А., Новиков А.А., Винокуров В.А., Копицын Д.С. Case study of freezing-induced loading of silver nanoparticles into vaterite microcrystals //Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2024. – Т. 700. – С. 134815. (год публикации - 2024)
10.1016/j.colsurfa.2024.134815
2.
Берестовская Ю.Ю., Турова Т.П., Груздев, Д.С., Потехина Н.В., Копицын Д.С., Пименов Н.В., Васильева Н.В.
Cryobacterium Inferilacus sp. nov., a Pshychrophilic Ureolitic Bacterium From Lake Untersee in Antarctica
Microorganisms, Berestovskaya, Y. Y., Tourova, T. P., Grouzdev, D. S., Potekhina, N. V., Kopitsyn, D. S., Pimenov, N. V., & Vasilyeva, L. V. (2025). Cryobacterium Inferilacus sp. nov., a Pshychrophilic Ureolitic Bacterium From Lake Untersee in Antarctica. Microorganisms, 13(5), 990. (год публикации - 2025)
10.3390/microorganisms13050990
Возможность практического использования результатов
Применение новых композиционных составов костных цементов с антибактериальными свойствами позволит существенно снизить продолжительность и интенсивность постоперационной системной антибактериальной терапии, что снижает риски дальнейшего развития проблемы множественной устойчивости микроорганизмов к антибиотикам. Дальнейшее развитие систематических исследований совместного антибактериального действия нескольких антибактериальных агентов (антибиотика и наночастиц металла) в составе костных цементов позволит сформировать научные и технологические основы, обеспечивающие экономический рост и социальное развитие РФ в области медицины и здравоохранения.