Проектная лаборатория прикладной химии и химического материаловедения

Project

Project Details

Description

В настоящее время одной из фундаментальных проблем материаловедения является проблема структурной организации, в том числе и в нанометромом диапазоне. Отметим, что эта проблема является одной из ключевых как естествознания, поскольку именно вопросы организации вещества на разном уровне материи исследует физика, химия, биология, так и технологии, поскольку структурирование, зачастую, напрямую влияет на функциональные свойства производимых материалов. Задача установления химических и физических параметров управляющих свойствами искусственно упорядоченных твердых тел различной степени сложности и материалов на их основе составляет одно из важнейших направлений современных исследований в области химической технологии, материаловедения, медицины и нанотехнологий.
Поскольку свойства материала определяются как природой входящих в его состав компонентов, так и их пространственным расположением, то исследование процессов структурирования на микро- и нано уровне является эффективным современным инструментом для решения задачи синтеза материалов с контролируемыми функциональными свойствами. В этой связи проведение исследований в области конструирования более сложных по структурной организации систем (композиционных систем) в области создания более эффективных биоматериалов (в том числе «смарт» материалов) для адресной доставки лекарств с улучшенными функциональными свойствами и биоактивными покрытиями для имплантологии являются актуальными как с точки зрения фундаментальной, так и прикладной науки.
Увеличение продолжительности и качества жизни человека требуют решения ряда медико-материаловедческих проблем, в частности, создания материалов, предназначенных для длительной работы в контакте с живыми тканями.
Несмотря на значительные успехи, достигнутый за последние 10 лет в области синтеза и применения наночастиц для диагностики и создания систем адресной доставки лекарств широкое их использование в области практической нанобиотехнологии и биомедицины сдерживается многими нерешенными проблемами, как в области создание новых наноматериалов так и в усовершенствовании методов управляемой доставки и направленного выхода наночастиц с лекарственными препаратами к биологическим мишеням.
В ближайшее десятилетие внимание учёных в данной области науки будет сфокусировано на вопросах создания путей разработки наночастиц и материалов, которые могли бы быть эффективными и не токсичными для адресной доставки препаратов к опухолям.
При существующем уровне развития области всё ещё требуется создание систем, обеспечивающих количественную доставку препарата в опухоль, без его эмиссии в ходе транспорта, а также создания универсальной триггерной системы декапсуляции, которая не потребует нагрева, облучения светом и других методов, которые не применимы для всех типов рака.
Также остаётся актуальной проблема эффективности доставки лекарственных препаратов в опухоль средний коэффициент полезного действия уже известных и разрабатываемых препаратов является низким: только 0,7% из введенной дозы наночастиц оказывается в опухоли. Следует отметить, что неорганические частицы более эффективны, чем сделанные из органических материалов - 0,8% против 0,6%. И частицы, с использованием активного таргетирования имели более высокую эффективность, чем те, которые основывались на пассивном таргетировании - 0,9% против 0,6%. Однако во всех случаях эффективность доставки к биологическим мишеням не более 1 %.
Профессор Warren C. W. Chan и его соавторы [Nat Rev. Mater 2016, DOI:.. 10,1038 / natrevmats. 2016,14], установили, что расчетная эффективность частиц с низкой доставкой может затруднить перевод нанолекарств в клинические иследования. Посредством не требующих сложных расчетов вычислений, авторы показывают, что дозе частиц с эффективностью доставки 1% придется быть непрактично большой, чтобы быть эффективным средством уничтожения раковых клеток. Инъекции такого большого количества наночастиц с лекарственным препаратом в пациента, может привести к проблемам токсичности. Исходя из этих соображений, профессор Warren C. W. Chan говорит, что эффективность наночастиц должна быть ближе к 10% для достижения терапевтического эффекта.
Таким образом, на данный момент решены многие задачи, существовавшие в области адресной доставки препаратов, но далеко не все [Nat Rev. Mater 2016, DOI:.. 10,1038 / natrevmats. 2016,14]. При существующем уровне развития области всё ещё требуется создание систем, обеспечивающих количественную доставку препарата в опухоль, без его эмиссии в ходе транспорта, а также создания универсальной триггерной системы декапсуляции, которая не потребует нагрева, облучения светом и других методов, которые не применимы для всех типов рака.
В работе мы предлагаем новый подход к процессу адресной доставки препаратов новым смарт-материалом, полученным на основе мезопористых транспортных частиц с магнитной системой декапсуляции. Также следует отметить, что сам процесс декапсуляции весьма безопасен, так как не требует воздействия света, нагрева или смены среды – требуется только воздействие переменного магнитного поля. При этом применяемое поле приводит к кинетическому воздействию ( разрушение) на капсулу.

2. Уникальные свойства костной ткани связаны с сочетанием в ней органических (белки коллагеновой природы, полисахариды и др.) и неорганических (гидроксиапатит и примеси других кальцийфосфатных фаз) составляющих. В этой связи представляется целесообразным развитие новых методов синтеза гидроксиапатита, позволяющих получать частицы, включенные в биополимерную матрицу. Такие композиционные материалы усиливают пролиферативную активность остеобластов и стимулируют процессы репаративного остеогенеза на месте введения материала, задерживают развитие воспалительной реакции в костной ране [1-2].
Нанесение гидроксиапатитовых покрытий на титановые имплантаты производится с целью улучшения биосовместимости материалов, применяемых в восстановительной хирургии и стоматологии, однако сопряжено с многочисленными трудностями: во-первых, все известные способы получения пленок на титане требуют дорогостоящей аппаратуры или многостадийной обработки, во-вторых, толщина образующихся покрытий и адгезия кристаллов к поверхности титана слишком мала, покрытия легко смываются, в-третьих, представляет сложность получение однородных по толщине слоев на изделиях сложной формы, применяемых для медицинских целей [3-5]. Обычно исследователи отмечают также неравномерность полученных пленок, неоднородный фазовый состав и размер кристаллов. Кроме того, на стадиях стерилизации покрытия претерпевают дальнейшие изменения. Таким образом, актуальной проблемой является разработка новых способов получения кальцийфосфатных покрытий на поверхности титана и исследование их резорбируемости in vitro.
Основанием данного исследования является как фундаментальная значимость создания нового синтетического подхода для получения нового класса биоактивных поверхностей и композитных керамических покрытий, так и практическая важность создание новых биоматериалов для костной имплантации (остеоинтеграция).
Протекание процесса остеоинтеграции значительно зависит от геометрии (рельефа) поверхности, структуры и химического состава. Однако, систематических исследований, устанавливающие корреляцию между структурой поверхности (качественными и количественными геометрическими характеристиками), химическим составом и получению биоактивного покрытия для костных металлических биоматериалов проведено не было. Поэтому, проблема выбора оптимального метода синтеза биоактивного покрытия до сих пор остаётся не решённой.
В качестве метода синтеза в проекте разрабатывается темплатный электрохимический синтез с применением в качестве темплата текстурированных плёнок, полученных золь-гель методом.
Фундаментальная значимость разработки темплатного электрохимического синтеза заключается в создании нового подхода к получению двухкомпонентных композитных покрытий различного химического состава и геометрии, обладающих микронной и нанометровой упорядоченностью. Предполагаемые к использованию в качестве темплата текстурированные плёнки оксида титана, благодаря мезопористости и микронным дефектам, представляют интерес для создания самоочищающихся и супергидрофобных покрытий.
Результаты предложенного исследования внесут значительный вклад не только в развитие химического материаловедения, но и в область, определенную в качестве приоритетной – персонализированную медицину. Благодаря комплексному подходу области определения оптимальной топологии биоактивного покрытия и скорости биорезорбции в соответствии с клинической картиной, придание поверхности имплантатов контролируемых антибактериальных свойств, позволит повысить эффективность лечения путём применения персонализованного подхода.
Также остро стоит проблема дизайна биоактивных поверхностей способных
искусственно контролировать и управлять клеточным и тканевым микроокружением. Не решена проблема создания перспективного покрытия для различного типа клеточного окружения (костные клетки, клетки соединительной ткани и т.д.).
В этой связи важным направлением в развитии медицинского материаловедения является разработка новых методик и подходов к поверхностной модификации и создания биоактивных покрытий, в контексте ускоренной остеоинтеграции.

1. A.P.Krasnov, O.V.Afonicheva, V.K.Popov, A.I.Volozhin, Polymer-polymer complex at the interface of polymethylmetacrylate with hydroxyapatite, Intern.Journ.of Polymeric Mater., 2004, 53,.l-10.
2. H.J.Sheel, T.Fukuda, Crystal Growth Technology, New York: Wiley, 2003, 581
3. Lim T.Y., Wang W., Shi Z., Poh C.K., Neoh K.G. Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells and osteoblast differentiation on titanium with surface-grafted chitosan and immobilized bone morphogenetic protein-2 // J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2009 V.20 P.1–10.
4. K. Kubo, N. Tsukimura, F. Iwasa, T. Ueno, L. Saruwatari, H. Aita, W.A. Chiou, T. Ogawa Cellular behavior on TiO2 nanonodular structures in a micro-to-nanoscale hierarchy model, Biomaterials, 2009, 30, 5319–5329.
5. Wenjie Zhang, Guocheng Wang, Yan Liu, Xiaobing Zhao, Duohong Zou, Chao Zhu,Yuqin Jin, Qingfeng Huang, Jian Sun, Xuanyong Liu, Xinquan Jiang, Hala Zreiqat The synergistic effect of hierarchical micro/nano-topography and bioactive ions for enhanced osseointegration, Biomaterials, 2013, 34, 3184-3195.
AcronymINI_2020
StatusActive
Effective start/end date2/09/2031/12/20