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 24-79-10121
НазваниеРазработка перевязочного материала на основе композитных нановолокон с антибактериальными наночастицами и биоактивными соединениями для заживления хронических ран
Руководитель Котякова Кристина Юрьевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва
Конкурс №98 - Конкурс 2024 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 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии
Ключевые слова Биоматериалы, полимерные композиты, перевязочный материал для ран, антибактериальная активность, электроформование, нановолокна, антибактериальные наночастицы, алое вера, куркумин, фибронектин, витамин К.
Код ГРНТИ34.57.21
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Заживление ран является сложным, строго регулируемым процессом, который имеет решающее значение для поддержания барьерной функции кожи. Нарушения метаболизма пациента (сахарный диабет, ВИЧ, аутоиммунные заболевания, ожирение, болезни сердца, печени, почек) влияют на нормальный процесс заживления, что приводит к хроническим, незаживающим ранам и различным осложнениям (язвы, пролежни, ампутация). Поэтому основная цель данного проекта - разработка инновационных повязок для борьбы с раневой инфекцией и стимулирующих естественные процессы регенерации кожи - является актуальной и научно значимой. Научная новизна проекта состоит в том, что впервые будут получены и исследованы многофункциональные коаксильные нановолокона ПКЛ/коллаген с включенными бактерицидными НЧ (ZnO, CuO), растительными экстрактами (алое вера\куркумина), фибронектином, витамином К и антибактериальными агентами (банеоцин/хлоргекседин). Будет изучено влияние концентраций бактерицидных агентов, а также подобран их оптимальный состав для увеличения эффективности заживления ран. Структура нано- и субмикронных волокон имитирует структуру внеклеточного матрикса (ВКМ) и способствуют правильной «раскладке» вновь формирующихся коллагеновых структур, предотвращая формирование рубцовой ткани. Выбор в проекте поликапролактона в качестве формообразующего полимера неслучаен, так как поликапролактон входит в список одобренных для медицинского применения полимеров Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), является биосовместимым и биоразлагаемым материалом, обладает высокими механическими характеристиками, и невысокой ценой, что делает разработку повязок из данного материала экономически целесообразной. Для обеспечения антибактериального эффекта в состав полимера будут введены антибактериальные наночастицы (CuO, ZnO), которые будут обеспечивать антибактериальный эффект в отношении штаммов, обладающих множественной лекарственной устойчивостью. Основным недостатком использования данного полимера в качестве повязок является его гидрофобность, что препятствуют адгезии клеток фибробластов к его поверхности. Для преодоления данного ограничения планируется применить два альтернативных подхода: 1) плазменная обработка материала с последующим введением биоактивных соединений; 2) создание коаксиальных волокон «ядро-оболочка», где в качестве оболочки будет использован природный полимер коллаген. В состав коллагеновой оболочки планируется включение биоактивных природных соединений (алое вера, куркумин и др.) для стимулирования процессов регенерации. Кроме того, будет использована комбинация предложенных подходов, для обеспечения синергетического эффекта в процессе заживления ран. Теоретическими методами будет изучена природа взаимодействия колагена с ПКЛ, а также проведено моделирование взаимодействия нановолокон с НЧ (CuO/ZnO) и антибиотиками. Будет выявлен характер и природа взаимодействия нановолокон, наночастиц и антибиотиков, что поможет в поиске оптимальных условий взаимодействия и понимании молекулярных механизмов формирования нановолокон. Изучение биосовместимости полученных материалов in vitro будет выполнено на клетках фибробластов. Влияние разрабатываемых материалов на процесс заживления хронических ран in vivo будет выполнено на модели хронических ран иммунодефицитных мышей линии Balb/c nude. Комплексность данного проекта обеспечивается за счет широкого спектра применяемых подходов и методов, включающих синтез новых материалов (материаловедение), химической модификации поверхности (химия), изучение антибактериальных и биосовместимых свойств материалов (биология), изучение природы связывания компонентов системы (теоретическое моделирование).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Предложен инновационный, экологически чистый и масштабируемый подход к созданию антибактериальных раневых повязок. Он основан на иммобилизации банеоцина/хлоргексидина на поверхности композитных нановолокон из поликапролактона (ПКЛ), содержащих бактерицидные наночастицы (НЧ) CuO/ZnO, предварительно обработанных плазмой. Теоретические расчеты показали, что активация ПКЛ 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимидом (EDC) необходима для химической связи между субстратом ПКЛ и антибиотиками. Расчеты теории функционала плотности показали, что введение карбоксильных, амидных и активированных EDC карбоксильных групп на поверхность ПКЛ значительно увеличивает способность связывания антибиотиков за счет образования сетей водородных связей, о чем свидетельствует увеличение энергетических связей и перераспределение заряда. Установлено, что количество иммобилизованного банеоцина/хлоргексидина обратно пропорционально содержанию НЧ CuO/ZnO в ПКЛ, что влияет на скорость высвобождения активных веществ.
Модифицированные COOH и иммобилизованные банеоцином/хлоргексидином мембраны ПКЛ, содержащие 2 и 4 мас.% НЧ CuO и 3% НЧ ZnO, продемонстрировали высокую прочность на разрыв, превосходящую характеристики многих коммерческих раневых повязок. Ковалентное связывание банеоцина/хлоргексидина с поверхностью мембран через COOH-полимерный слой также улучшает смачиваемость и замедляет высвобождение ионов Cu2+/Zn2+, обеспечивая длительное и стабильное бактерицидное действие.
Разработанные материалы показали высокую эффективность против мультирезистентных штаммов бактерий, таких как S. aureus BAA1707 (MW2), P. aeruginosa C3945/23, E. faecium Ya253, E. coli U20 и A. baumannii C66627/23, что делает их перспективными кандидатами для решения проблемы антибиотикорезистентности. Механизм действия НЧ, основанный на неспецифическом повреждении клеточных структур, снижает риск развития резистентности по сравнению с традиционными антибиотиками. Впервые продемонстрирована способность банеоцина существенно снижать цитотоксичность веществ и повышать выживаемость фибробластов. Нановолокна ПКЛ с 2 мас.% НЧ CuO полностью подавляли рост биопленок P. aeruginosa C3945/23, S. aureus BAA1707, A. baumannii C66627/23 и E. faecium Ya253, а добавление банеоцина предотвращало образование биопленок E. coli U20.
Модификация банеоцином/хлоргексидином значительно снизила цитотоксичность большинства образцов, обеспечив жизнеспособность фибробластов выше 80%. Это указывает на перспективность разработанных нановолоконных материалов, которые не только эффективно борются с инфекциями, но и стимулируют заживление ран за счет контролируемого высвобождения ионов меди/цинка и антибиотиков. Сочетание антибактериального и противогрибкового действия делает эти материалы особенно ценными для лечения хронических и инфицированных ран, где часто встречаются смешанные инфекции. Простота, масштабируемость и экологичность метода получения композитных нановолокон на основе ПКЛ с антибактериальными НЧ открывают широкие возможности для их применения в качестве раневых повязок нового поколения.
Публикации
1. Получение нановолокон типа «ядро-оболочка» и результаты молекулярно-динамического моделирования взаимодействия между ядром из поликапролактона и оболочкой коллагена Получение нановолокон типа «ядро-оболочка» и результаты молекулярно-динамического моделирования взаимодействия между ядром из поликапролактона и оболочкой коллагена ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (год публикации - 2025)
2. Ю.А. Макарец, Е.С. Пермякова, К.Ю. Котякова, С.Ш. Каршиева, Д.В. Штанский Антибактериальные композитные волокна поликапролактона, нагруженные наночастицами оксида цинка с иммобилизованным хлоргексидином, для терапии хронических ран тезисы докладов всероссийской научной конференции с международным участием "Биохимия человека 2024", г. Москва, Медицинский институт Российского университета дружбы народов, сборник тезисов Всероссийской научной конференции с международным участием "Биохимия человека 2024", г.Москва, стр. 185. (год публикации - 2024)
3. Ю.А. Макарец, Е.С. Пермякова, К.Ю. Котякова, С.Г. Игнатов, Д.В. Штанский Development of antibacterial materials for therapy of chronic wounds using composite fibers of polycaprolactone loaded with ZnO nanoparticles with immobilized chlorhexidine on the surface сборник тезисов The 1st International Online Conference on Bioengineering, MDPI: Basel, Switzerland, сборник тезисов The 1st International Online Conference on Bioengineering, Online, 16-18 октября 2024 г., стр. 98. MDPI: Basel, Switzerland (год публикации - 2024)
4. К.Ю. Котякова Многофункциональные нановолокнистые материалы на основе ПКЛ Сборник трудов ХXI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов», ИМЕТ РАН, сборник тезисов XXI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, г. Москва, ИМЕТ РАН, 15-18 октября 2024 г., стр. 143-144. (год публикации - 2024)
5. К.Г. Гаспарян, К.Ю. Котякова Разработка двухслойных мембран на основе поликапролактона и коллагена, модифицированных бактерицидными компонентами для стимуляции процесса заживления ран XV Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии: Тезисы до- кладов конференции, Москва, ООО «МЕСОЛ», XV Конференция молодых учёных по общей и неорганической химии, тезисы конференции молодых учёных-химиков с международным участием, г. Москва, Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук, 8-11 апреля 2025 г, сборник тезисов стр. 88. (год публикации - 2025)
6. К.Г. Гаспарян, К.Ю. Котякова Бактерицидные раневые повязки на основе поликапролактона и коллагена для заживления ран Материалы Международного молодежного научного форума Ломоносов-2025, Москва, Материалы Международного молодежного научного форума Ломоносов-2025, Москва, МГУ им. М.Ю. Ломоносова, 11-25 апреля 2025 г. (год публикации - 2025)
7. А.М. Демаков, Е.С. Пермякова, Д.В. Штанский Nitric Oxide-generating plasma-deposited coating for improved cell proliferation and the prevention of biofilm formation MDPI: Basel, Switzerland, сборник тезисов The 1st International Online Conference on Bioengineering, Online, 16-18 октября 2024 г., стр. 102., MDPI: Basel, Switzerland (год публикации - 2024)
8. К.Г. Гаспарян, К.Ю. Котякова Многофункциональные нетканые материалы для заживления ран тезисы Всероссийской научной конференции, г. Москва, Университет науки и технологий МИСИС, 80-е Дни науки МИСИС, тезисы Всероссийской научной конференции, г. Москва, Университет науки и технологий МИСИС, 15 апреля 2025 г. (год публикации - 2025)
9. Ю.И. Иванкова, Л.Ю. Антипина, П.Б. Сорокин Определение активного центра первичой структуры бычьего коллагена I типа методом молекулярного докинга в AutoDock 4.2 труды XХIV Ежегодной молодежной конференции с международным участием ИБХФ РАН-ВУЗы, Москва, сборник тезисов XXIV Ежегодной молодежной конференции с международным участием ИБХФ РАН-ВУЗы "Биохимическая физика", г. Москва, ИБХФ РАН, 18-20 ноября 2024 г., стр. 141-143. (год публикации - 2024)