Термообратимые полимерные системы на основе полисахаридов для аддитивной технологии 3D-печати

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 24-23-00390

НазваниеТермообратимые полимерные системы на основе полисахаридов для аддитивной технологии 3D-печати

Руководитель Кильдеева Наталия Рустемовна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. КОСЫГИНА (ТЕХНОЛОГИИ. ДИЗАЙН. ИСКУССТВО)" , г Москва

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-302 - Структура и свойства полимеров, многокомпонентных полимерных систем

Ключевые слова термообратимые гидрогели, полисахариды, агар-агар, каррагинаны, 3D-печать, искусственный матрикс, раневые покрытия

Код ГРНТИ31.25.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Гидрогели полисахаридов благодаря структурной и биомеханической совместимости с тканями живых организмов рассматриваются в качестве перспективных материалов для использования в заместительной хирургии и регенеративной медицине. Проект направлен на решение фундаментальной проблема направленного формирования и управления трехмерной структурой гидрогелей, которая приобрела особое значение с развитием новых методов создания композитных матриц для регенеративной медицины, таких как аддитивные технологии 3D- принтинга, для которых пока еще не разработаны научные основы и стратегии печати гидрогелевых матриц. В ходе выполнения проекта будут установлены механизм и особенности гелеобразования в термообратимых полимерных системах на основе растворов нейтральных и ионогенных полисахаридов в присутствии биосовместимых низкомолекулярных модификаторов гелеобразования и дисперсных наполнителей с разной степенью анизометрии. С учетом волокнистой структуры природного внеклеточного матрикса, в проекте будет использован биомимметический подход, а в качестве эффективных армирующих наполнителей, включенных в матрицу гидрогеля, будут использованы нанофибриллы хитина и целлюлозы, ультратонкие и нановолокна из эфиров целлюлозы, полученные методом электроформования, размерные характеристики которых сравнимы с компонентами внеклеточного матрикса. Будет установлена роль низкомолекулярных оксикарбоновых кислот и армирующих наполнителей в формировании сетки зацеплений при получении композиционных гелей и криогелей. Новые знания об изменении структурно-механических и коллоиднохимических свойств гидрогелевых композиций, особенностях получения и механических свойств и цитосовместимости высокогидратированных композиционных матриц будут получены впервые. Полученные результаты позволят решить целый ряд технологических проблем в области 3D-биопринтинга и других инновационных методов создания высокогидратированных композитных матриц для регенеративной медицины. Композиционные гидрогели на основе полисахаридов, содержащие армирующие биополимерные анизотропные наполнители, обеспечат необходимую структурную целостность и прочность формируемых конструкций и обеспечит получение биосовместимых конструкций для тканевой инженерии используемых для замены утраченной или поврежденной ткани. Предлагаемый новый подход к адаптации гидрогелей для возможностей аддитивных технологий открывает новые перспективы для проектирования и производства трехмерных искусственных матриксов с топографической, биологической и биомеханической совместимостью с живыми тканями.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Показана возможность расширения ассортимента используемых для технологии 3D-печати материалов за счет разработки гидрогелевых «чернил» на основе полисахаридов агара и ι-каррагинана, способных обеспечить термообратимую гибкость и организацию полимерной сетки в процессе золь-гель перехода. На основании анализа температурных зависимостей изменения вязкости водных растворов агара и ι-каррагинана установлены температурно-концентрационные диапазоны, определяющие формирование устойчивой системы водородных связей, ответственных за упругие свойства гидрогелей, и условия перехода от текучих полимерных систем к упругому телу. Установлены концентрационные зависимости точки золь-гель перехода и энергии активации процесса термообратимого гелеобразования. На основании полученных зависимостей основных параметров гелеобразования и упругих свойств гидрогелей выбраны технологические параметры 3Д-печати модельных гидрогелевых конструкций. Показана возможность экструзионной 3D-печати формоустойчивых гидрогелевых каркасных конструкций типа «решетка» с использованием разработанных термообратимых гидрогелевых «чернил». Была разработана лабораторная установка низкотемпературного формования, обоснована технология и впервые получены устойчивые термообратимые гидрогелевые филаменты на основе гидрогелей агара, пригодные для FDM-печати. На следующем этапе работы будет изучена возможность направленного воздействия на процессы гелеобразования в термообратимых полимерных системах на основе растворов агара и каррагинана путем введения природных ароматических оксикислот. Будет расширен набор биополимеров за счет использования альгината натрия и хитозана, не способных к термообратимому гелеобразованию, но образующих гидрогели в присутствии сшивающих реагентов. Эти исследованя позволят решить задачу управления комплексом свойств композиционных гидрогелей на основе нейтральных и ионогенных полисахаридов для их адаптации к технологии экструзионной 3D-печати. По результатам работы опубликована статья в European Polymer Journal, Q1, Белый список, 1 статья в журнале Industrial Processes and Technologies (РИНЦ, ВАК). Материалы проекта доложены на двух конференциях.

Публикации

1. Ахмедов М.М., Захарова В.А., Сажнев Н.А., Кильдеева Н.Р. Preparation of biologically active alginate fibers with controlled release of vancomycin Fibre Chemistry, Vol. 56, pp. 246–252. (год публикации - 2024)
10.1007/s10692-025-10563-0

2. Кильдеева Н.Р., Захарова В.А., Ахмедов М. М., Растригина В.О. Получение гидрогелевых чернил для 3D-печати на основе альгината натрия ДЕВЯТАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ КАРГИНСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ПОЛИМЕРЫ – 2024». СБОРНИК ТЕЗИСОВ. Москва, Россия, 1-3 июля 2024 года, ДЕВЯТАЯ ВСЕРОССИЙСКАЯ КАРГИНСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ПОЛИМЕРЫ – 2024». СБОРНИК ТЕЗИСОВ. Москва, Россия, 1-3 июля 2024 года, С.340 (год публикации - 2024)

3. Захарова В.А., Кильдеева Н.Р., Калугина Д.С., Шевякова Е.И., Бурцева А.А., Жирнов С.В., Сенатов Е.С., Гордеев В.В. Modification of agar hydrogels for additive 3D printing technologies European Polymer Journal, V. 210, P. 112841 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2024.112841

4. Ахмедов М.М., Захарова В.А., Кильдеева Н.Р. Биорезорбируемые нити, полученные из растворов альгината натрия в присутствии ароматических оксикислот Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», секция «Химия». – М.: Издательство «Перо», 2024. – 57 МБ. [Электронное издание] , Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2024», секция «Химия». – М.: Издательство «Перо», 2024. – 57 МБ. [Электронное издание], C.120 (год публикации - 2024)

5. Захарова В.А., Антипова К.Г., Крашенников С.В., Кильдеева Н.Р Особенности получения термообратимых гидрогелевых чернил для 3D-печати на основе йота-каррагинана Industrial Processes and Technologies, Т. 4. № 2(12). С.14–22 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.37816/2713-0789-2024-4-2(12)-14-22

6. Захарова В.А., Кильдеева Н.Р. Термообратимые гидрогели полисахаридов морских водорослей для экструзионной 3Д-печати Международный Косыгинский «Проблемы инженерных наук: формирование технологического суверенитета», посвящённый 120-летию со дня рождения А. Н. Косыгина. Повышение энергоресурсоэффективности, экологической и технологической безопасности процессов и аппаратов химической и смежных отраслей промышленности (ISTS "EESTE-2024"). Сборник научных трудов международного научно-технического симпозиума, Москва, Россия, 20- 22 февраля 2024 года, Международный Косыгинский «Проблемы инженерных наук: формирование технологического суверенитета», посвящённый 120-летию со дня рождения А. Н. Косыгина. Повышение энергоресурсоэффективности, экологической и технологической безопасности процессов и аппаратов химической и смежных отраслей промышленности (ISTS "EESTE-2024"). Сборник научных трудов международного научно-технического симпозиума, Москва, Россия, 20- 22 февраля 2024 года, С.336-338 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.37816/eeste-2024-1-336-338

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Полисахариды агар и каррагинан в водных растворах образуют гибкие обратимые и динамичные структуры, способные к быстрой реформации при сдвиговых напряжениях и восстановлению структуры гидрогеля. Эти свойства делают физические гели перспективными системами для использования в технологии прямой экструзионной печати (DIW), а введение природных фенольных карбоновых кислот позволило направленно воздействовать на кинетику гелеобразования и вязко-упругие свойства гелей. Кроме агара, и каррагинана исследованы гелеобразующие системы на основе функциональных полисахаридов хитозана и альгината натрия, традиционно применяемых для получения биологически активных материалов. Показана возможность направленного воздействия на процессы гелеобразования в термообратимых полимерных системах на основе растворов агара и каррагинана путем введения модификаторов - природных ароматических оксикислот (феруловой и галловой) и экструзионной 3D-печати формоустойчивых гидрогелевых каркасных конструкций типа «решетка» с использованием разработанных термообратимых гидрогелевых «чернил», содержащих модификаторы гелеобразования. Добавление фенольных кислот в растворы полисахаридов при формовании пленочных материалов, способствует формированию более прочной сетки водородных связей и влияет на процесс сорбции паров воды и растворимость материалов, повышая их влагостойкость, и улучшает их физико-механические свойства. Изучена возможность использования в качестве «чернил» растворов полисахаридов, не способных к термообратимому гелеобразованию альгината натрия и хитозана, в присутствии структурообразователей или сшивающего реагента ковалентного типа. Установлены кинетические закономерности и предложен механизм высвобождения ванкомицина из биологически активных материалов на основе альгината натрия. Установлено, что высвобождение ванкомицина происходит в 2 этапа — относительно быстрого высвобождения в течение часа, что может позволить за это время увеличить концентрацию антибиотика в ране или в слое дермы, в то время как оставшийся в ванкомицин будет способствовать поддерживанию эффективной концентрации на протяжении длительного времени. Проведено моделирование процесса высвобождения с использованием известных кинетических уравнений, показано, что процесс протекает в соответствии с моделью Пеппаса-Сахлина, описывающей процесс с учетом вклада диффузии и разложения биополимерной матрицы, установлено, что вклад диффузии является определяющим. Показана возможность получения хитозансодержащих гидрогелевых конструкций путем комбинирования агара с хитозаном и сшивающего реагента, что позволило сформировать методом эктрузионной 3D-печати формоустойчивый материал. При добавлении в систему агар-ХТ сшивающего реагента генипина, формирующего прочные и устойчивые связи с аминогруппами хитозана, индукционный период ковалентного связывания составил 200–260 мин. Несмотря на то, что введение хитозана замедляет процессы структурообразования в растворах агара, применение таких систем целесообразно, так как способно придавать гидрогелевым материалам антимикробную активность. Установленные закономерности структурообразования в растворах полисахаридов в присутствии фенольных оксикислот или смешанных растворах с хитозаном могут быть использованы при разработке сорбирующих раневых покрытий и биополимерных лекарственных форм с контролируемым высвобождением биологически активных соединений.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы в качестве научного задела в области технологии экструзионной 3D-печати усовершенствованных биологически активных гидрогелевых конструкций, применение которых в регенеративной медицине будет иметь существенный социальный эффект.