Мультифункциональные биодеградируемые композитные материалы на основе полиоксиалканоатов и гибридного наноразмерного наполнителя, управляемые внешними стимулами, для регенерации периферических нервов

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 25-13-20058

НазваниеМультифункциональные биодеградируемые композитные материалы на основе полиоксиалканоатов и гибридного наноразмерного наполнителя, управляемые внешними стимулами, для регенерации периферических нервов

Руководитель Сурменева Мария Александровна, Кандидат физико-математических наук

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

Конкурс №101 - Конкурс 2025 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 Многофункциональность, кондуит для регенерации нерва, биодеградируемый полимер, ближнее инфракрасное излучение, магнитное поле, пьезоэлектрический отклик, оксид графена, магнетит, полидофамин, активные формы кислорода

Код ГРНТИ81.09.03; 76.09.99

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта планируется получить результаты комплексных исследований свойств гибридных 2D-филлеров, синтезированных различными способами, отработать способы введения компонентов для обеспечения последующего контролируемого распределения в матрице волокнистого полимерного материала. Наряду с этим будут отработаны способы электроформования волокнистого материала кондуитов для восстановления нервной ткани. Будут изучены способы получения многофункциональных многокомпонентных материалов с контролируемыми свойствами и биомедицинских изделий на физико-механические, фототермические, магнитные и пьезоэлектрические свойства разрабатываемых биодеградируемых материалов, и кондуитов на их основе, в зависимости от концентрации филлера, локализации их в полимерной матрице, пористости и структуры. Таким образом, будут получены следующие ключевые результаты научных исследований: 1 Будут отработаны способы синтеза нанофиллеров, позволяющие управлять характером их распределения в полимерном волокнистом материале. Будут отработаны способы получения композитных биодеградируемых материалов на основе поли-3-оксибутирата, также модифицированного нанофиллерами, с различным откликом при воздействии внешнего магнитного поля, БИК излучения или УЗ. 2 Будут установлены способы управления структурными особенностями композиционного волокнистого материала с помощью контроля концентрации, распределения модификаторов, входящих в состав раствора, используемого для электроформования. 3 Будут получены данные о зависимости магнитных, пьезоэлектрических, фототермических, фотокаталитических, химических и механических свойства композитов от состава компонент и способа изготовления композита. 4 Будет оценено влияние содержания частиц магнетита, выращенных на нанолистах ГО, и ПДА, обладающих фотосенсибилизирующей активностью при воздействии БИК излучения, мощности и продолжительности лазерного излучения на нагрев материала. Будут выявлены закономерности влияния каждой из компонент, их размера, содержания, а также влияние параметров воздействия магнитного поля на композит в зависимости от содержания филлера и соотношения его компонент на скорость достижения заданной температуры. 5 Будет выполнено сравнительное изучение действия БИК облучения, УЗ и магнитного поля на композит, оценка эффективности каждого воздействия в зависимости от состава материала на регуляцию АФК. 6 Будут оптимизированы свойства материалов, включая структуру, концентрацию гибридного наполнителя, оценен вклад каждого из компонентов, а также параметров внешних воздействий для создания бактериостатических свойств, улучшения адгезии, пролиферации и способности к дифференцировке различных типов клеток in vitro. 7 Будет установлена эффективность влияния каждого типа внешнего воздействия и компонента волокнистого биодеградируемого материала кондуита на регенерацию периферического нерва in vivo. Таким образом, будут разработаны прототипы медицинских изделий: кондуитов нового поколения для регенерации нервов – с внешнестимулируемой регенерационной функциональностью за счет магнитоактивности, фототермических и пьезоэлектрических свойств композитов поли-3-оксибутирата с филлерами. Полученные результаты исследований будут обладать практической значимостью. Так, их можно будет использовать для восстановления нервной ткани (кондуит). Отработанные способы получения нетканных биодеградируемых кондуитов должны обеспечить возможность среднесрочной масштабируемости полученных результатов фундаментальных исследований до клинического использования. Результаты проекта будут востребованы в области практического здравоохранения, хирургии периферической нервной системы. Полные аналоги объектов исследования данной НИР отсутствуют. Реализация проекта приведет к значительным прорывам в следующих сферах: - научной: Благодаря проведению комплекса биологических исследований на клеточном и тканевом уровнях, выявляющих роль каждого компонента композиционного волокнистого скэффолда и механизмы неинвазивных внешних стимулов на стимулирование кондуитами процессов формирования новых тканей в условиях in vitro и in vivo. - технологической: Благодаря разработке новых технологий синтеза многофункциональных биодеградируемых скэффолдов и медицинского изделия (кондуит), стимулирующих восстановление нервной ткани, а также способов управления биологической активностью изделия путем контроля состава, микроструктуры, фазового состава и пористости с применением внешних стимулов. - экономической: Вследствие усиления роли биомедицинской промышленности России, в частности, Томской обрасти, в области использования технологий получения многофункциональных биодеградируемых материалов и изделий с улучшенными эксплуатационными свойствами. - социальной: Вследствие улучшения в Томской области качества жизни и снижения послеоперационных осложнений у пациентов, перенесших травмы нервной ткани. 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 специальностям химическая инженерия и материаловедение. Результаты проекта будут также опубликованы в рецензируемых изданиях и представлены на престижных всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Ключевая материаловедческая задача исследования заключается в разработке фундаментальных основ создания материала на основе матрицы из поли-3-оксибутирата (ПОБ) в составе с полидофамином (ПДА), композитными наночастицами (НЧ) магнетита Fe3O4 и оксидом графена (GO). Для выполнения поставленной задачи были получены следующие образцы: (i) НЧ ПДА, (ii) НЧ композита магнетита с восстановленным оксидом графена (Fe3O4/rGO), (iii) Fe3O4/rGO, модифицированные ПДА (Fe3O4/rGO/ПДА). Были получены образцы электроформованных скэффолдов: (i) Скэффолды из ПОБ, (ii) скэффолды ПОБ, содержащий филлер Fe3O4/rGO в своём объёме (ПОБ-Fe3O4/rGO), (iii) скэффолды ПОБ, с поверхностной модификацией частицами ПДА (ПОБ-ПДА), (iv) скэффолды ПОБ, с поверхностной модификацией восстановленными частицами ПДА (ПОБ-ПДА восст), (v) скэффолды ПОБ, с поверхностной модификацией композитом ПОБ-Fe3O4/rGO/ПДА. Выполнено исследование способов синтеза композитных наночастиц Fe3O4/rGO с различной степенью восстановления. Выявлены структурные изменения, связанные с образованием in situ наночастиц Fe3O4 на поверхности нанолистов rGO, полученных путем восстановления GO. Работа проясняет критерии выбора условий синтеза нанокомпозита Fe3O4/rGO. Нанокомпозиты Fe3O4/rGO4.5:1-2ч и Fe3O4/rGO6:1-2ч имеют самое высокое соотношение C/O и максимальное содержание железа на поверхности нанолистов rGO. Наблюдалось увеличение значений намагниченности с увеличением времени синтеза Fe3O4/rGO6:1 и с ростом содержания Fe3O4 в композите Fe3O4/rGO. Далее были решены следующие задачи: 1. Отработка способов получения при различных условиях формования чистых и композитных скэффолдов на основе ПОБ, содержащих Fe3O4/rGO. 2. Исследование влияния содержания Fe3O4/rGO на магнитные свойства электроформованной полимерной матрицы. Параметром, который был подвержен изменению, служил калибр игры, который определял толщину волокна. Вольтаж варьировался с 5,2 до 10,6 кВ. Добавление композитного наполнителя Fe3O4/rGO не приводит к значительному изменению диаметра волокон и снижению степени кристалличности. Использование более тонкой иглы приводит к снижению степени кристалличности скэффолдов. Снижение кристалличности коррелирует с более низкими значениями прочности на растяжение и модуля Юнга композитов. Сниженные значения намагниченности в ПОБ-Fe3O4/rGO скэффолдах объясняются низкой концентрацией Fe3O4/rGO. Количественно средний поверхностный электрический потенциал существенно снижается с уменьшением диаметра волокна в композитных скэффолдах. Исследование эффективного локального плоскостного пьезоотклика композитных волокон показало отсутствие существенного различия между образцами с различным диаметром волокон. Принято решение не вводить в волокно Fe3O4/rGO/ПДА для того, чтобы не менять значительно характеристики композита, а создать условия прямого контакта между клетками и Fe3O4/rGO/ПДА. Синтез частиц ПДА проводили методом окислительной полимеризации дофамина в щелочных условиях. Формирование ПДА покрытия на поверхности скэффолдов осуществляли методом, основанным на процессах окислительной полимеризации и поверхностной адгезии наночастиц ПДА. Восстановление ПДА проводили с использованием водного раствора аскорбиновой кислоты. Механизм взаимодействия Fe3O4/rGO6:1 с ПДА на волокнистой поверхности ПОБ можно условно разделить на следующие этапы: (1) Активация и олигомеризация дофамина в растворе. (2) Адсорбция и осаждение, образование первичного слоя ПДА на поверхности скэффолда ПОБ. (3) Захват и иммобилизация магнитного композита. (4) Одновременное восстановление GO. ИК-, РАМАН-спектроскопия, РФА и РФЭС свидетельствует об успешном формировании слоя ПДА на поверхности скэффолда. Восстановление приводит к модификации покрытия ПДА через восстановление хинонных групп до катехолов. Далее были решены задачи: (1) исследование влияния содержания Fe3O4/rGO, а также ПОБ-Fe3O4/rGO на магнитные свойства матрицы; (2) исследование влияния состава материала на его нагрев при воздействии БИК излучения; (3) исследование влияния модифицирования скэффолдов на их физико-механические свойства; (4) изучение закономерностей формирования АФК групп в зависимости от типа материала и условий внешнего воздействия. Модифицирование приводит к снижение степени кристалличности ПОБ скэффолда. Отмечено значительное снижение намагниченности для покрытого Fe3O4/rGO6:1/ПДА относительно непокрытого Fe3O4/rGO6:1. Анализ намагниченности образца ПОБ/ПДА/Fe3O4/rGO6:1 скэффолда, покрытого Fe3O4/rGO6:1 композитом в процессе полимеризации дофамина, показал значение намагниченности до 4,23 ± 0,13 emu/g. Степень восстановления ПДА, сформированного на поверхности волокнистого ПОБ, оказала влияние на скорость нагрева и достигнутую температуру насыщения при воздействии БИК излучением. ПОБ, покрытый восстановленным в течение 120 минут ПДА, демонстрирует наибольшую эффективность фототермической конверсии. Физико-механические испытания на растяжение показали, что покрытие, как слоем ПДА, так и композитом ПДА/Fe3O4/rGO, статистически не изменяет значения модуля Юнга и максимальной прочности на разрыв скэффолдов ПОБ. Однако при модифицировании скэффолда значительно снижается удлинение при растяжении для скэффолдов ПОБ-ПДА и ПОБ-ПДА (восстановленный), соответственно, в то время как покрытие композитом Fe3O4/rGO/ПДА приводит к повышению пластичности материала. Наночастицы ПДА, композиты Fe3O4/rGO, в том числе, покрытые слоем ПДА, проявляют равнозначную способность к генерации АФК. Как скэффолд из ПОБ, так и композит ПОБ с Fe3O4/rGO внутри волокон, вне зависимости от времени УЗ воздействия, показывает отсутствие каталитической прооксидантной способности. Скэффолд ПОБ, покрытый Fe3O4/rGO/ПДА, снижает концентрацию родамина в растворе, причем степень обесцвечивания красителя напрямую зависит от времени УЗ обработки. Восстановление ПДА повысило продуцирование скэффолдом АФК, как с применением УЗ, так и без него. Определение антимикробных свойств проводилось с помощью бактерий Staphylococcus aureus. Обработка УЗ осуществлялась в течение 30 минут. На модифицированных волокнах наблюдается подавление жизнедеятельности бактерий. УЗ обработка и восстановление ПДА повышает антимикробную активность.

Публикации

1. Шлапакова Л.Е., Шварцман В.В., Слаутин Б.Н., Лупаску Д.К., Грубова И.Ю., И Ян Су, Ботвин В.В., Матур С., Сурменева М.А., Сурменев Р.А. Tailoring the topography, crystalline structure, and piezoelectric response of electrospun biodegradable poly(3‑hydroxybutyrate) scaffolds by glycine loading Springer Nature Link, Advanced Composites and Hybrid Materials, 8(6), 424 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1007/s42114-025-01487-8