Актуальность научной проблемы, предлагаемой к решению в рамках НИР, включая современное состояние исследований по проблеме и научную значимость её решения
Актуальность научной проблемы
Современные вызовы в области медицины, косметологии и экологии — низкая биодоступность препаратов, инвазивность диагностики и растущая лекарственная устойчивость патогенов — требуют принципиально нового подхода. Таким решением может стать платформа на основе неорганических микро- и наноспикул — вытянутых игольчатых структур с высоким соотношением длина/толщина, которые позволяют формировать многофункциональные материалы для трансдермальной доставки, неинвазивного анализа биологических жидкостей, фотокаталитической очистки воды и создания антибактериальных покрытий.
Существующие решения на базе спикул демонстрируют обнадеживающие результаты, но направлены на решение узких проблем. Кроме того, широко используемые в настоящее время природные спикулы обладают подходящей формой, размерами и биосовместимостью, однако, их свойства практически невозможно регулировать в широких пределах, что ограничивает спектр функциональности материалов. Синтетические спикулы потенциально способны обеспечить широкий диапазон целевых свойств, но подходы, позволяющие управлять формой и составом, и, следовательно, свойствами подобных материалов пока не разработаны. Решение фундаментальной проблемы — установление детальных зависимостей «состав–структура–свойства» для неорганических микро- и наноспикул — является ключевым условием для создания материалов с заданной функциональностью и позволит перейти от создания разрозненных материалов к проектированию универсальной платформы с программируемыми функциями для адресного решения актуальных задач медицины и санитарной безопасности.
Современное состояние исследований по проблеме
Эффективность традиционных кремов и мазей для введения лекарств и БАВ ограничена барьерной функцией рогового слоя кожи, что препятствует достижению терапевтических концентраций действующих веществ в целевых тканях. В то же время традиционные инъекции остаются болезненными и требуют участия медицинского персонала, что снижает их удобство [1]. Комбинировать преимущества обоих подходов позволяют микроиглы — микрометровые игольчатые конструкции из биосовместимых материалов.
Впервые микроиглы для повышения проницаемости кожи при трансдермальной доставке лекарств были предложены в 1998 году [2]. Первые конструкции (~150 мкм) изготавливались травлением кремниевых пластин, однако их основной проблемой оказалась хрупкость. Позднее были предложены металлические микроиглы из стали, титана, никеля и палладия [3], обладающие высокой прочностью и биосовместимостью. Так, например, коммерчески доступный продукт «Dermaroller» представляет собой ролик с микроиглами из медицинской стали длиной 250 — 2000 мкм, используемый для стимуляции выработки коллагена. Металлические микроиглы также предложено применять для анализа биологических жидкостей [4]. Однако их недостатками является низкая управляемость функциональностью (невозможность контролируемого высвобождения БАВ) и избыточные отверстия в коже.
Поиск менее травматичных решений привёл к изучению природных структур — спикул морских губок. Их морфология представляет собой идеальные вытянутые игольчатые конструкции с высоким отношением длины к толщине. Постепенно термин «спикулы» закрепился и в материаловедении для описания вытянутых частиц различной природы.
Спикулы могут быть получены из полимерных материалов (полиметилметакрилат, поливиниловый спирт, полимолочная и гиалуроновая кислоты) или из неорганических соединений (оксиды алюминия, кремния, кальция, гидроксиапатит). Для косметологии активно применяются биодеградируемые полимерные микроиглы [5], что подтверждается широким ассортиментом патчей с растворяющимися микроиглами (100–800 мкм) на основе гиалуроновой кислоты и добавленных БАВ (Purebio Cosmetics, Япония; Storyderm, Южная Корея).
В свою очередь, неорганические материалы, включая керамики на основе оксидов алюминия, циркония и кремния, а также сульфата кальция и гидроксиапатита [6], обеспечивают более высокую прочность, регулируемую пористость и электростатические взаимодействия с БАВ, что позволяет контролировать скорость высвобождения. Например, показано, что микроиглы из силиката цинка длиной ~600 мкм снижают образование активных форм кислорода и способствуют восстановлению кожи после УФ-повреждений [7].
Современные технологии предполагают изготовление композитных систем, когда полимерные матрицы, сформированные методом микромолдинга, модифицируются керамическими компонентами, что, однако, значительно удорожает производство [8,9]. Более доступным остаётся использование природных микроспикул (100 — 300 мкм) из скелетов губок, состоящих из оксида кремния или карбоната кальция. На российском рынке широко представлены средства зарубежных компаний (VT, SHARY, Oxygenceuticals, Южная Корея), содержащие такие спикулы. Однако использование природных материалов связано с риском разрушения экосистем, необходимостью многоступенчатой очистки от примесей и высокой себестоимостью [10].
После успеха косметических разработок появились идеи применения спикул для доставки лекарств и диагностики. В частности, компания Vaxxas разработала пластыри для самостоятельного введения вакцин на основе нерастворимых жидкокристаллических полимеров. В ряде исследований предлагалось использовать природные спикулы для доставки местных анестетиков [11] и малых интерферирующих РНК [12]. В области сенсоров наибольшее распространение получили системы непрерывного мониторинга глюкозы (Dexcom, Medtrum), позволяющие до 14 дней регистрировать уровень глюкозы в межтканевой жидкости и передавать данные на смартфон. Однако такие системы разрабатываются под каждый конкретный аналит, что делает их дорогими и ресурсоёмкими.
Формирующийся интерес к синтетическим неорганическим наноспикулам объясняется их ключевым преимуществом: все параметры — размер, форма, состав, пористость — могут быть заданы искусственно, что невозможно для природных аналогов. При этом синтетические спикулы обеспечивают высокую стабильность и прочность, превосходя полимерные аналоги. В существующих к настоящему времени немногочисленных работах продемонстрированы примеры синтеза и применения подобных материалов: наноспикулы ZnO, выращенные методом электроспрея на полимерных волокнах, позволили создать супергидрофобные антибактериальные покрытия [13]; наноспикулы TiO₂, допированные азотом и полученные золь-гель методом, показали фотокаталитическую активность под действием видимого излучения [14]; микроспикулы NiS₂, синтезированные методом ионного легирования и гидротермального сульфидирования на никелевой пене, были использованы как электродные материалы для суперконденсаторов [15].
Таким образом, спикулы, изначально пришедшие в материаловедение из биологии, могут рассматриваться как универсальная платформа для косметологии, медицины, сенсорных технологий и экологии. Однако исследования в области синтетических наноспикул пока носят фрагментарный характер, а масштабируемые и контролируемые методы их получения практически не разработаны, что подчеркивает актуальность и необходимость дальнейших исследований.
Список литературы:
1. Waghule T., Singhvi G., Dubey S.K., Pandey M.M., Gupta G., Singh M., Dua K. Microneedles: A smart approach and increasing potential for transdermal drug delivery system // Biomed. Pharmacother. 2019. Т. 109. С. 1249–1258.
2. Henry S., McAllister D. V, Allen M.G., Prausnitz M.R. Microfabricated Microneedles: A Novel Approach to Transdermal Drug Delivery // J. Pharm. Sci. 1998. Т. 87, № 8. С. 922–925.
3. Larrañeta E., Lutton R.E.M., Woolfson A.D., Donnelly R.F. Microneedle arrays as transdermal and intradermal drug delivery systems: Materials science, manufacture and commercial development // Mater. Sci. Eng. R Reports. 2016. Т. 104. С. 1–32.
4. Yuan Z., Zhang H., Hu W., Yu X., Qin S., Wang C., Zhang F. State-of-the-art Review of Metallic Microneedles: Structure, Fabrication, and Application // Chinese J. Mech. Eng. 2025. Т. 38, № 1. С. 21.
5. Wang M., Hu L., Xu C. Recent advances in the design of polymeric microneedles for transdermal drug delivery and biosensing // Lab Chip. 2017. Т. 17, № 8. С. 1373–1387.
6. Ita K. Ceramic microneedles and hollow microneedles for transdermal drug delivery: Two decades of research // J. Drug Deliv. Sci. Technol. 2018. Т. 44. С. 314–322.
7. Chen F.-Z., Zhang Z.-W.-B., Li Q.-F., Tan P.-C., Chang J., Zhou S.-B. Zinc Silicate-Loaded Microneedle Patch Reduces Reactive Oxygen Species Production and Enhances Collagen Synthesis for Ultraviolet B-Induced Skin Repair // Biomater. Res. 2025. Т. 29.
8. Domanski M., Winnubst L., Luttge R., Lamers E., Walboomers X.F., Jansen J., Gardeniers H. Production and characterization of miro- and nano-features in biomedical alumina and zirconia ceramics using a tape casting route // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2012. Т. 23, № 7. С. 1637–1644.
9. Cai B., Xia W., Bredenberg S., Engqvist H. Self-setting bioceramic microscopic protrusions for transdermal drug delivery // J. Mater. Chem. B. 2014. Т. 2, № 36. С. 5992–5998.
10. Wu C.-S., Wu D.-Y., Wang S.-S. Bio-based polymer nanofiber with siliceous sponge spicules prepared by electrospinning: Preparation, characterisation, and functionalisation // Mater. Sci. Eng. C. 2020. Т. 108. С. 110506.
11. Zhang C., Yang P., Lin X., Lai H., Liu Y., Yu S., Chen M., Huang Y. Topical delivery of Lidocaine using spicules for local anesthesia. 2025.
12. Liang X., Zhang J., Ou H., Chen J., Mitragotri S., Chen M. Skin Delivery of siRNA Using Sponge Spicules in Combination with Cationic Flexible Liposomes // Mol. Ther. - Nucleic Acids. 2020. Т. 20. С. 639–648.
13. Park B.C., Byun S.W., Ju Y., Lee D.B., Shin J.B., Yeon K., Kim Y.J., Sharma P., Cho N., Kim J., Kim Y.K. Zinc Oxide Nano‐Spicules on Polylactic Acid for Super‐Hydrophilic and Bactericidal Surfaces // Adv. Funct. Mater. 2021. Т. 31, № 36.
14. Hosseingholi M. Room Temperature Synthesis of N-doped Urchin-like Rutile TiO2 Nanostructure With Enhanced Photocatalytic Activity Under Sunlight // Int. J. Eng. 2015. Т. 28, № 10 (A).
15. Cheng Y., Zhai M., Guo M., Yu Y., Hu J. A novel electrode for supercapacitors: Spicules-like Ni3S2 shell grown on molybdenum nanoparticles doped nickel foam // Appl. Surf. Sci. 2019. Т. 467–468. С. 1113–1121.
Научная значимость решения проблемы
Научная значимость проекта заключается в создании универсальной технологической платформы целенаправленного синтеза многофункциональных микро- и наноспикул, что открывает новые возможности для фундаментальных исследований и прикладных разработок в области передовых материалов.
Реализация проекта позволит установить фундаментальные закономерности «состав – структура – функциональные свойства» для неорганических спикул на основе гидроксиапатита, силикатов и бёмита. Значительный вклад будет внесен в понимание механизмов нуклеации и роста/формирования игольчатых структур (спикул) в контролируемых условиях, что является актуальной проблемой современного материаловедения. Изучение влияния допирования и поверхностной функционализации на физико-химические свойства материалов углубит знания о процессах управления свойствами твёрдых тел на наноуровне. Особую научную ценность представляет разработка математической модели, позволяющей прогнозировать параметры синтеза для получения частиц с заданными характеристиками, что станет шагом к цифровизации и рационализации процессов проектирования новых материалов.
План реализации проекта демонстрирует междисциплинарный подход, интегрирующий достижения химии твёрдого тела, биомедицины и экологии, а создание прототипов продуктов (MVP) подтвердит универсальность предлагаемой платформы для решения разнообразных задач — от трансдермальной доставки биоактивных веществ до создания фотокаталитических систем и сенсоров нового поколения.
 
Цель научного исследования
Целью исследования является создание универсальной технологической платформы на основе управляемого синтеза и модификации неорганических микро- и наноспикул для разработки новых классов продуктов в области трансдермальной доставки биоактивных веществ, неинвазивной диагностики и санитарно-экологической безопасности.
Достижение этой цели включает:
1. установление корреляций между параметрами синтеза, морфологией спикул и их функциональными свойствами,
2. разработку прогностических моделей для целенаправленного получения материалов с заданными характеристиками,
3. создание и экспериментальное подтверждение эффективности прототипов продуктов на основе спикул для целевых применений.
Реализация проекта позволит получить новые фундаментальные знания о механизмах формирования неорганических спикул и их взаимодействии с биологическими системами, а также создать научно-технический задел для разработки инновационных решений в медицине, косметологии и экологии.
 
Общий план выполнения НИР на весь период
Проект предполагает решение четырех основных укрупненных задач.
1. Создание воспроизводимых, масштабируемых и экономичных протоколов получения спикул с варьируемыми морфологическими параметрами на основе гидроксиапатита, силикатов и бемита.
2. Получение экспериментального материала о ключевых физико-химических и функциональных свойствах спикул для установления связи между морфологией, условиями синтеза и функциональными свойствами.
3. Моделирование и предсказание параметров и свойств материалов: тщательное изучение механизмов формирования спикул с целью создания модели, позволяющей прогнозировать условия синтеза для получения частиц с заданными свойствами.
4. Создание и испытание прототипов продуктов с различной функциональностью: на основании полученных данных разработка, изготовление и тестирование минимально жизнеспособного продукта (MVP) для указанных выше применений.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Планируемые к получению материалы
Гидроксиапатит (HAр, Ca10(PO4)6(OH)2) выбран в качестве одного из базовых материалов для исследований. Его кристаллическая структура относится к гексагональной сингонии (пространственная группа P63/m), с параметрами ячейки a≈9,4 Å и c≈6,9 Å. В структуре различают два неэквивалентных положения кальция (Ca(I) и Ca(II)). Кристаллы гидроксиапатита характеризуются выраженной анизотропией роста: удлинение преимущественно происходит вдоль оси c, что приводит к образованию иглообразных наночастиц. Продольные грани кристаллов в основном соответствуют плоскости (1000), в то время как боковые поверхности формируются вдоль плоскости (101̅0).
Для получения HAp будут использованы два метода.
– Метод осаждения в водных растворах. Контролируемое взаимодействие ионов кальция с фосфат-ионами при варьировании pH (путем добавления оснований различной природы) и температуры позволяет получать первичные наночастицы (структурные блоки) с заданными размерами и формой и регулируемыми структурными параметрами.
– Гидротермальная обработка (ГТО). Применяется для инициирования процессов ориентированного присоединения (ОП) и последующего роста наночастиц. Проведение ГТО при 180—240°С в течение нескольких часов обеспечивает срастание первичных блоков и формирование нанообъектов с контролируемой морфологией.
Комбинация процедур осаждения и гидротермальной обработки позволит варьировать морфологические характеристики гидроксиапатита (размер, форма, соотношение осей), что создаёт возможность целенаправленно регулировать его функциональные свойства и подбирать оптимальные условия синтеза.
Бёмит (ɣ-AlOOH), как и гидроксиапатит, является биосовместимым, нетоксичным и химически инертным материалом. Кристаллическая структура бёмита относится к ромбической сингонии (пространственная группа Cmcm), с параметрами ячейки a≈2,6 Å, b≈12,2 Å и c≈3,7 Å. Наночастицы бёмита чаще всего имеют форму веретен, игл и фибрилл, так как зарождающиеся в реакционной среде кристаллы присоединяются и растут вдоль оси с, при этом поверхность конечных наночастиц выражена плоскостями (002) и (200).
Характерной особенностью бёмита является то, что кристаллические образцы могут быть получены только в гидротермальных условиях. На первой стадии с использованием метода осаждения формируется суспензия гидроксида алюминия, параметры частиц которой регулируются путем варьировании pH реакционной среды, процедуры внесения исходных реагентов и наличия добавок. На второй стадии промежуточный продукт выдерживается в гидротермальных условиях в течение варьируемого времени при определённой температуре, что позволяет получать продукты с заданными параметрами и функциональными характеристиками.
Силикаты кальция, магния и цинка имеют общую структурную основу в виде кремнекислородных тетраэдров, но при этом демонстрируют фундаментальные различия в типах построения кристаллической решётки, что влияет на степень анизотропии роста. Данные силикаты можно разделить на две обширные подгруппы: цепочечные и островные, из которых первые более склонны к формированию вытянутых вдоль одной оси структур.
Волластонит (CaSiO3) является цепочечным силикатом, который может кристаллизоваться в двух типах полиморфов: α-CaSiO3 (триклинная сингония; пространственная группа P1-; параметры ячейки a≈7,2 Å, b≈7,4 Å, c≈8,0 Å, α≈103,5°, β≈95,5°, ɣ≈90.1°) и β-CaSiO3 (моноклинная сингония; пространственная группа P21/c; параметры ячейки a≈7,0 Å, b≈7,3 Å, c≈15,43 Å, β≈95,5°). Для данной структуры характерен выраженных анизотропный рост вдоль оси c по направлению (001), приводящий к образованию вытянутых игольчатых структур.
Энстатит (MgSiO3) также является представителем цепочечных силикатов, который в свою очередь кристаллизуется в двух типах полиморфов: с орторомбической (пространственная группа Pbca; параметры ячейки a≈5,4 Å, b≈8,3 Å, c≈19,6 Å) и моноклинной (пространственная группа P21/c; параметры ячейки a≈9,1 Å, b≈5,3 Å, c≈9,4 Å, β≈80,6°) cингонией. Для данных структур выраженный рост вдоль оси с выражен слабее, чем для волластонита, и инициируется использованием жёстких условий синтеза.
Что касается силиката цинка, цепочечный ZnSiO3 является термодинамически невыгодным продуктом, который образуется только при высоких давлениях и температурах. В данном случае основным продуктом является ортосиликат островного типа виллемит Zn2SiO4, который обладает тригональной сингонией с пространственной группой R3- и параметрами ячейки a≈8,6 Å, β≈107.9°. В отличие от силикатов магния и кальция цинк в данной структуре находится в тетраэдрическом окружении, что может придавать материалу дополнительные функциональные свойства, связанные с электронным строением. Однако, из-за островного типа структуры данный материал сложно получить вытянутым вдоль одной оси без дополнительного влияния, например, за счёт применения органических модификаторов, ограничивающих рост кристалла в определённом направлении.
Островные структуры встречаются и для силикатов кальция и магния. Основным стабильным полиморфом для ортосиликата кальция является ларнит β-Ca2SiO4 моноклинной сингонии с пространственной группой P21/c и параметрами ячейки a≈5,6 Å, b≈6,8 Å, c≈10,5 Å, β≈117,3°. Для данной структуры наблюдается наиболее выраженный рост вытянутых структур силикатов островного типа. Для ортосиликата магния основной стабильный в стандартных условиях полиморф — форстерит α-Mg2SiO4 орторомбической сингонии с пространственной группой Pnma и параметрами ячейки a≈4,8 Å, b≈6,0 Å, c≈10,2 Å. Для данной структуры формирование вытянутых структур без дополнительного влияния не характерно (аналогично рассмотренному ранее).
Все рассмотренные силикаты формируют хорошо закристализованную фазу в гидротермальных условиях, после выдерживания в которых следует стадия отжига.
Варьирование свойств материалов путем объемной модификации (допирования)
Варьирование свойств материалов достигается за счёт объёмной модификации (допирования), позволяющей управлять как морфологией, так и функциональными характеристиками синтетических спикул. Встраивание ионов-допантов в кристаллическую решётку может влиять на рост частиц и способствовать формированию игольчатой морфологии. В проекте планируется систематическое введение допантов в структуру всех исследуемых материалов.
Будет изучено замещение кальция катионами переходных металлов Cr3+, Fe2+ и Fe3+: ионы хрома обеспечивают устойчивое окрашивание в зелёные и бирюзовые тона при сохранении биосовместимости и нетоксичности, что важно для косметических применений, тогда как использование ионов железа позволяет варьировать цвет от жёлтого до коричневого и придаёт материалам дополнительные магнитные и каталитические свойства. Будет проведено допирование отдельно Fe2+ и Fe3+ и их комбинацией, что позволит целенаправленно регулировать оптические и функциональные параметры спикул.
Варьирование свойств материалов путем поверхностной модификации БАВ и органическими кислотами различной природы
Проведение модификации неорганических спикул возможно с использованием нескольких путей:
(1) Модификация in situ, т.е. в процессе синтеза спикул. При таком способе модификатор добавляется непосредственно в реакционную смесь во время получения спикул, что влияет на рост частиц и может способствовать образованию именно игольчатой морфологии из-за его сорбции на гранях формирующихся спикул. Таким образом, особенностью данного типа модификации является значительное влияние на форму и размер конечных кристаллов.
В качестве модификатора будут выступать аминокислоты, карбоновые кислоты (лимонная, винная, янтарная, салициловая) и жирные кислоты с С от 6 до 18, способные закрепляться на поверхности благодаря химическому взаимодействию с поверхностными атомами спикул.
(2) Пост-синтетическая химическая модификация, которая проводится в виде отдельной стадии после получения готовых спикул. Такой подход позволяет сохранять размер и морфологию неорганического продукта, придавая материалу дополнительные функции, однако, требует предварительной активации поверхностных функциональных групп и часто проводится в жестких условиях.
Будут использованы модификаторы, способные к хемосорбции и взаимодействию с атомами на поверхности неорганических спикул: карбоновые и жирные кислоты, аминокислоты, молекулы ПЭГ с молекулярной массой от 400 до 15 000.
(3) Пост-синтетическая физическая модификация, основанная на электростатическом, донорно-акцепторном или гидрофобном взаимодействии также позволяет менять / расширять свойства спикул в зависимости от природы модификатора. Может быть осуществлена в мягких условиях и обеспечить направленную десорбцию модификатора в заданных условиях. В качестве таких модификаторов выступят гиалуроновая кислота, сорбция которой происходит при определенном pH ниже изоэлектрической точки, пептиды и белки, которые являются неустойчивыми в вышеописанных условиях модификации, а также полимеры различной природы. Для повышения чувствительности сенсоров будут использованы органические модификаторы, позволяющие осуществлять направленное связывание целевых биоаналитов за счёт специфических молекулярных взаимодействий: пептиды для маркеров воспалений (например, С-реактивного белка), ферменты для определения глюкозы и лактата (глюкозооксидаза, лактатооксидаза), ионофоры для определения электролитов (например, валиномицин — K+, четвертичные аммониевые соли — анионы).

МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ
В рамках проекта будут использоваться «мокрые» методы синтеза, основанные на работе в водных средах. Такой выбор обусловлен их масштабируемостью, экологичностью и возможностью тонкой регулировки морфологических параметров наночастиц.
– Осаждение. Контроль pH, температуры и порядка введения реагентов позволяет управлять размерами и формой частиц.
– Осаждение с последующей гидротермальной обработкой (ГТО). Применяется для инициирования процессов ориентированного присоединения (ОП) и более широкой настройки морфологических параметров наночастиц.
– Гидротермальный синтез (ГТС). Используется как самостоятельный метод для получения нанообъектов с заданной морфологией.
Важным преимуществом выбранных подходов является возможность модификации и допирования in situ, что позволяет вводить допанты и модификаторы прямо в процессе синтеза.
Формирование спикул путем инициирования процесса ориентированного присоединения
Процесс ориентированного присоединения является неклассическим механизмом роста частиц и основан на самосборке первичных структурных блоков и их последующем срастании по определённым кристаллографическим направлениям. Его использование даёт возможность управлять морфологией частиц за счёт варьирования состава реакционной среды, длительности и температуры выдерживания. В будущем данный подход позволит регулировать процессы самосборки и создавать сложные структуры, в том числе полые спикулы, востребованные в биомедицинских и косметических приложениях.
Изменение свойств спикул путем объемной модификации — допирования
Введение ионов переходных металлов (Cr3+, Fe2+ и Fe3+) позволяет направленно регулировать морфологию, поверхностный состав и функциональные свойства спикул, включая цвет, фотокаталитическую активность и антибактериальные характеристики. Допирование также способно существенно влиять на процессы ориентированного присоединения. В то же время корректное внедрение ионов требует высокой квалификации синтетика, так как не все кристаллические позиции доступны для замещения. Для достижения максимально возможного содержания допантов мы будем использовать специально разработанные заявителями оригинальные протоколы объемной модификации.
Изменение свойств спикул путем поверхностной модификации — введение БАВ и молекул другой функциональности
Данный подход применяется для регулирования биологической активности спикул и обеспечения альтернативной (не из патча, а непосредственно со спикулы) доставки БАВ; для улучшения чувствительности сенсоров для медицинской диагностики; для гидрофобизации поверхности спикул-фотокатализаторов для очистки воды и воздуха (улучшение взаимодействия «загрязнитель — поверхность» для облегчения разложения за счет формирования активированного комплекса); для придания поверхности после покраски гидрофобных свойств.
Как было обсуждено выше, модификация спикул может быть осуществлена во время или после синтеза. Выбор конкретного подхода к модификации спикул будет проводиться исходя из конкретной задачи и предполагаемой области использования материала.
Проведение модифицирования спикул in situ, то есть непосредственно в процессе синтеза, технически более просто осуществимо. Однако, результатом применения этого подхода может являться существенное изменение морфологии нанообъектов, поскольку присоединение модификаторов к поверхности твердой фазы может блокировать ее дальнейший рост в одном или нескольких направлениях. Тем не менее, накопленный заявителями опыт в реализации процессов ОП позволяет прогнозировать поведение компонентов реакционной среды и конечную морфологию частиц, а также целенаправленно управлять размером и формой синтезируемых спикул путем введения в систему специфических добавок.
Пост-модификация (путем химической или физической сорбции модификатора) спикул обеспечивает сохранение их размера и соотношения осей одновременно с изменением только поверхностного состава. Для успешной хемосорбции модификатора вместе с тем появляется необходимость активировать либо поверхность спикул, либо функциональные группы добавок. Физическая сорбция лучше подходит для адресной доставки активных компонентов, поскольку обеспечивает возможность контролируемой десорбции БАВ в заданных условиях.
Методы, используемые в комплексной физико-химической характеризации полученных материалов
Получаемые продукты синтеза и/или модификации будут исследованы комплексом современных независимых физико-химических методов, стандартно применяемых для подобных объектов: порошковой рентгеновской дифракцией (фазовый анализ, размеры кристаллитов по методу Шеррера, размеры и форма кристаллитов по методу WPPM, параметры элементарной ячейки); ИК-спектроскопией (химический и поверхностный состав наночастиц); сканирующей и просвечивающей электронной микроскопией (размеры, форма, морфология нанообъектов, распределение элементов); методом БЭТ (определение площади удельной поверхности и размера пор), методом АЭС-ИСП будет определен химических состав материалов.
Будет проведен анализ спектров комбинационного рассеяния и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (с проведением деконволюции пиков и определении их площадей) для определения химического состава, дефектов и кислородных вакансий в образцах. Также нанообъекты будут охарактеризованы методом динамического светорассеяния (определение гидродинамических размеров агломератов наночастиц в растворе, основное влияние на которые оказывает состав поверхности), будет определён дзета-потенциал (оценка эффективности предстоящей модификации). Элементный состав модифицированных объектов будет исследован с помощью CHNS анализатора.
Расчётный подход для моделирования процессов формирования и свойств спикул
Для углублённого понимания процессов формирования и функциональности спикул будут использованы оригинальные методы моделирования, разработанные в коллективе. В рамках объёмной модификации особое внимание будет уделено определению положения допантов в кристаллической решётке, локализации атомов, количеству вакансий в элементарной ячейке и влиянию этих факторов на морфологию и свойства частиц. Верификация расчётных моделей будет проводиться путём сопоставления с экспериментальными данными.
Для стадий ориентированного присоединения планируется применение квантово-химических моделей, позволяющих оценить энергию взаимодействия между характерными гранями кристалла, например, (1000) и (101̅0), и ионами реакционной среды (например, OH-, Na+, NO32-). Для изучения фотокаталитических свойств будут использованы методы расчёта зонной структуры и моделирования взаимодействия молекул загрязнителей с поверхностью наночастиц. Дополнительно будет применён хемометрический подход для анализа массивов экспериментальных и расчётных данных, что позволит выявлять скрытые закономерности и устанавливать количественные зависимости между параметрами синтеза, структурными характеристиками и функциональными свойствами.
Создание трансдермальных патчей, полимерных носителей для очистки воды и сенсорных элементов
Будет протестирован ряд соединений, включая альгинат натрия, гиалуроновую кислоту, хитозан, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, желатин, целлюлозу и её производные, с последующим выбором оптимального состава материала для создания гидрогелевой основы. Для создания трансдермальных гидрогелевых патчей с включением спикул будет апробирован ряд методик:
(1) Инкапсулирование спикул в объем гидрогеля. Несмотря на простоту и распространенность данного метода, заключающегося в создании гидрогелевого прекурсора из спикул и полимера или мономера для последующего физического или химического сшивания с использованием формы или подложки, такой подход обеспечивает нахождение спикул внутри матриц. Последнее может замедлить их контакт с кожей, поэтому такой метод подойдет для создания патчей с пролонгированным высвобождением активных веществ.
(2) Иммобилизация спикул на поверхности готового гидрогелевого патча. Данный метод обеспечивает незамедлительный контакт спикул с кожей и быструю доставку активных компонентов. Важную роль в подобном подходе играют адгезивные свойства гидрогеля или липкость дополнительно наносимых агентов, выступающих в качестве биосовместимого «клея». В качестве клеевой основы, на которую спикулы будут наноситься путем вдавливания, можно использовать поливиниловый спирт (необходимо изучить вопрос резорбции) или полидофамин (образует интенсивный коричневый цвет, что может быть неприемлемо для косметических патчей).
(3) Создание слоистой структуры как совмещенный подход. При такой методике создается несущий гидрогелевый слой без добавления спикул, который служит резервуаром для увлажняющих или питательных веществ и отвечает за механическое воздействие. Второй слой является активным, играет главную роль в пролонгированном высвобождении БАВ и включает в себя спикулы, иммобилизованные на поверхности. Два слоя соединяются до полного гелеобразования.
Материалы для фотокаталитической очистки воды и диагностики будут получать способом (2), однако в качестве матрицы будет использоваться не гидрогель, а полиэфиримидная основа.
Процесс высушивания полимерной основы будет зависеть от области их применения и представлять собой либо лиофильное удаление воды, либо выдерживание в сушильном шкафу.
Создание массива сенсоров
Для определения биоаналитов будет создано два типа массивов электрохимических сенсоров: (1) для проведения in situ анализа на теле человека и (2) ex situ анализа после введения и выведения из кожи. В качестве основы для сенсоров будут использованы проводящие полимерные материалы.
Создание красок со спикулами
Получение антибактериальных красок будет осуществлено путем добавления спикул к готовой коммерческой краске под колеровку с последующим тщательным перемешиванием. Затем краска с добавкой будет нанесена на подложку, после её высыхания будут исследованы антибактериальные свойства полученного материала.
Изучение процессов биорезорбции спикул и гидрогелевых патчей
Биорезобция спикул может происходить по нескольким механизмам: за счет ионного обмена, при котором ионы в твердом теле замещаются на ионы водорода с последующим образованием гелеобразных слоев, способных к растворению; за счет воздействия слабокислой среды кожи, разрушающее действие которой по отношению к неорганическим частицам усиливается на поврежденных участках кожи; или под действием остеокластов, что особенно актуально для нанообъектов гидроксиапатита, из которого состоит костная ткань, которая обновляется благодаря её переработке остеокластами.
Биорезорбция гидрогелевых патчей для адресной доставки БАВ происходит в несколько этапов. Сначала происходит набухание гидрогелевой матрицы, приводящее к её деградации. Это служит началом к высвобождению как активных компонентов, иммобилизированных в матрицу, так и спикул, также содержащих в своем составе БАВ.
Исследование резорбции будет проведено с использованием модельных систем, имитирующих биологические жидкости человека, посредством анализа степени набухания материала, его потери веса при высвобождении БАВ и нахождении в физиологической среде, термогравиметрического анализа для оценки стадий деградации материала, микрофотографий СЭМ для изучения изменения морфологии и топологии патчей в процессе их использования.
Методы исследования функциональных свойств полученных материалов
Функциональные свойства будут изучаться с использованием комплекса методов.
Колориметрия и спектроскопия включают регистрацию спектров поглощения и отражения в УФ– и видимой области, а также определение цветовых координат по системе CIELAB; анализ спектров и координат позволит установить взаимосвязь между морфологией, допированием и оптическими характеристиками материалов. Для оценки прикладного потенциала планируется тестирование образцов в качестве косметических агентов в модельных композициях, что позволит оценить их распределение в матрице, стабильность и влияние на характеристики конечного продукта.
Изучение возможностей использования материалов в качестве электродов при определении биоаналитов будет проводиться с использованием методов вольтамперометрии/амперометрии и потенциометрии. Обработка данных, полученных из собранных массивов сенсоров, будет проводиться с использованием хемометрического подхода. Держатели для сенсорной системы будут изготовлены на 3D-принтере.
Для оценки фотокаталитической активности материалов (спикулы в виде порошка, консолидированные/иммобилизованные спикулы) под видимым и УФ-излучением, будет использован разработанный заявителями комплексный протокол, включающий в себя следующие стадии:
– исследование эффективности «темновой» сорбции;
– исследование эффективности фотокаталитического разложения аналита;
– регистрация кинетических зависимостей фотокаталитической активности под видимым и УФ-излучением;
– проведение «теста на улавливание» (scavenger test), основанного на измерении процента деградации загрязнителя в присутствии бензохинона, диметилсульфоксида, этилендиаминтетрауксусной кислоты и изопропилового спирта, которые взаимодействуют с •O2−, e−, h+ и •OH, соответственно, для определения активных частиц, участвующих в фоторазложении циклических органических соединений;
– изучение состава поверхности фотокатализатора до обработки, после адсорбции и после фотокатализа методом ИК-спектроскопии;
– изучение продуктов деградации методом масс-спектрометрии;
– оценка взаимодействия молекул загрязнителей с поверхностью фотокатализатора с учетом основных кристаллографических граней и электростатической составляющей методами квантовой химии.
Антибактериальная активность материалов будет оцениваться путём выращивания модельных штаммов микроорганизмов (например, E. coli) на поверхностях, покрытых красками с добавлением синтетических спикул. Количество и морфология бактериальных колоний будут сопоставляться с контрольными образцами без модификатора, что позволит установить эффективность подавления роста. Такой подход уже успешно опробован коллективом в предыдущих исследованиях. Гидрофобные свойства окрашенных поверхностей будут определяться методом статического контактного угла («лежащей капли»), что позволит количественно оценить степень водоотталкивающего эффекта и сопоставить его с параметрами структуры и составом спикул.
 
ПЛАН РАБОТ
ПЕРВЫЙ ГОД (2027)
Цель: установление условий формирования наноспикул, модифицированных по объему и по поверхности, изучение их базовых физико-химических характеристик и процессов формирования.
Задачи:
1. Синтез наноспикул гидроксиапатита, бемита и силикатов и их допированных аналогов с использованием недорогих методов соосаждения, гидротермальной обработки и гидротермального синтеза. Варьируемые параметры: pH, температура, время синтеза, концентрация допанта (Cr3+, Fe2+ и Fe3+), природа противоионов.
2. Разработка методов модификации поверхности спикул:
а. модификация in situ (при синтезе);
б. постсинтетическая химическая модификация (активация функциональных групп, закрепление БАВ);
в. постсинтетическая физическая модификация (сорбция БАВ на поверхности спикул).
3. Комплексная характеризация полученных материалов согласно описанному выше.
4. Расчётное моделирование процессов формирования спикул, включая квантово-химическое описание стадий ориентированного присоединения и определение возможной локализации модификатора на поверхности наночастиц.
5. Анализ экспериментальных данных и установление зависимостей, отражающих вклад ОП в рост наночастиц. На данном этапе возможна апробация хемометрического подхода для выявления основных параметров, определяющих морфологию.
6. Тестирование наноспикул в составе косметических композиций: введение в модельные кремы, изучение равномерности распределения частиц и их влияние на функциональность продукта.
7. Подготовка научных статей и участие в научных конференциях.

ВТОРОЙ ГОД (2028)
Цель: установление условий формирования микроспикул, модифицированных по объему и поверхности, а также получение комплекса данных о функциональных свойствах нано- и микроспикул.
Задачи:
1. Оптимизация условий синтеза (инициирование процессов ОП, выбор параметров гидротермальной обработки) для получения микроспикул; их модификация и комплексная характеризация.
2. Установление взаимосвязей между условиями синтеза, составом реакционной среды и морфологией материалов на основании данных об их морфологических и структурных параметрах, дополненных результатами расчётных экспериментов.
3. Исследование функциональных свойств спикул, включая:
а. оптические и колориметрические свойства (УФ– и видимая спектроскопия, колориметрия);
б. электронные свойства (зонная структура, расчётные модели);
в. электрические и электрохимические характеристики (циклическая вольтамперометрия, импедансная спектроскопия);
г. фотокаталитическая активность (разложение модельных красителей под действием УФ- и видимого света).
4. Изучение биорезорбции (деградации) (не)модифицированных спикул, а также высвобождения биологически активных веществ с модифицированных поверхностей в модельных биологических средах.
5. Изучение отклика массива спикул на различные биоаналиты (глюкоза, лактат, неорганические катионы и анионы, биомаркеры заболеваний) путём абразивного нанесения на поверхность стеклоуглеродного электрода и регистрации электрохимического сигнала; выбор наиболее перспективных сочетаний «сенсор-аналит».
6. Создание гидрогелевых основ для трансдермальных патчей и носителей для очистки воды и воздуха.
7. Модификация спикул по запросам индустриальных партнёров на основании комплекса полученных данных, включая введение дополнительных функциональных групп и управление скоростью десорбции БАВ.
8. Публикационная активность и участие в научных конференциях.

ТРЕТИЙ ГОД (2029)
Цель: установление взаимосвязей «параметры синтеза — свойства — функциональность» и создание минимально жизнеспособных прототипов (MVP).
Задачи:
1. Комплексный анализ массива данных, полученных при выполнении исследований на предыдущем этапе. Применение хемометрических методов для построения моделей, связывающих морфологию и состав спикул с их практико-ориентированными свойствами.
а. анализ колориметрических характеристик;
б. анализ биорезорбции;
в. анализ электрохимических свойств;
г. анализ фотокаталитической активности.
2. Выбор оптимальных образцов для практических применений (косметика, сенсорные системы, очистка воды/воздуха).
3. Оптимизация методик введения спикул в объём гидрогелевых патчей и оптимизация процедур модификации поверхности патчей; характеризация модифицированных патчей.
4. Создание датчика, состоящего из массива сенсорных элементов на основе полиэфиримидных плёнок, покрытых проводящим клеем со спикулами различной природы; проведение апробации сенсора на модельных и реальных объектах.
5. Разработка материалов для очистки воды. Внедрение спикул в объём пористых носителей и нанесение их на поверхность; проверка эффективности фотокаталитической деградации органических соединений (в т. ч. антибиотиков тетрациклинового, сульфаниламидного и фторхинолонового ряда) под действием УФ- и видимого света.
6. Нанесение спикул на поверхности в составе красочных композиций. Изучение колориметрических, антибактериальных и гидрофобизирующих эффектов.
7. Публикационная активность и участие в научных конференциях.
 
Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел
Кадровые компетенции
Коллектив обладает значительным опытом в области синтеза и комплексного исследования функциональных неорганических наноматериалов, что подтверждается выполненными грантами, диссертационными исследованиями и публикациями в высокорейтинговых журналах.
Индекс Хирша руководителя проекта составляет 15, суммарный импакт-фактор за 2022 — 2025 годы — 148, число публикаций в журналах Q1 за 2022 — 2025 годы — 16. М.А. Вознесенский является руководителем группы численного исследования нанообъектов и наноструктурированных систем, а также руководителем образовательной программы магистратуры по направлению «Цифровые технологии в химии».
Индекс Хирша заместителя руководителя проекта составляет 18, суммарный импакт-фактор за 2022 — 2025 годы — 176, число публикаций в журналах Q1 за 2022 — 2025 годы — 19. О.М. Осмоловская является руководителем группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов, а также руководителем образовательной программы магистратуры по направлению «Химия». Имеет опыт работы с индустрией и выполнения хозяйственных договоров начиная с 2010 года.
Коллектив молодых исполнителей проекта также имеет статьи в международных журналах первого квартиля (в том числе в качестве первых и корреспондирующих авторов), выступления с устными и стендовыми докладами на всероссийских и международных конференциях, ряд которых отмечен дипломами за лучший доклад.
Компетенции в области синтеза и моделирования нанообъектов и материалов на их основе
Исполнители обладают уникальным сочетанием экспериментальных и расчетных компетенций: коллектив продемонстрировал возможность управляемого получения наночастиц различного состава и морфологии, а также разработал и применил оригинальные расчетные подходы для описания зонной структуры и механизмов формирования материалов. Особое место в синтетических и расчетных компетенциях группы занимает метод ориентированного присоединения, перспективный для направленного регулирования формы и размера частиц.
В рамках проектов РНФ (№№23-23-00220, 23-23-00408 и 24-23-00225) и диссертационной работы Д. С. Колоколова был получен значительный объем данных по варьированию и моделированию протекания ОП в системах с наночастицами типа «ядро–оболочка» Fe3O4@ZnO, SnO2, а также допированного гидроксиапатита, что подтверждается серией публикаций и докладов на конференциях. Полученные результаты открывают возможность для конструирования материалов с заданными фотокаталитическими, магнитными и антибактериальными свойствами.
Задел в области косметических приложений. Коллектив обладает опытом исследований в области косметической химии: опубликованы статьи по применению гидроксиапатита и допированных наночастиц в качестве пигментов и функциональных добавок. Подготовлены новые публикации и ведутся работы аспирантов и соискателей, пришедших в проект по своей инициативе после ознакомления с пресс-релизами о деятельности группы.

Опыт в области биосовместимых систем доставки
В рамках совместного гранта с Ираном был накоплен опыт по созданию биодеградируемых систем высвобождения биологически активных веществ, подтвержденный публикацией по данной тематике.
Компетенции в смежных областях
Исполнители имеют опыт работы в области электрохимии и хемометрики, что позволяет проводить анализ диагностических систем и обрабатывать большие массивы экспериментальных данных. В 2025 году был начат инициативный проект с ГНИИИ ВМФ по разработке фундаментальных основ конструирования новых антибактериальных средств на основе гибридных наноматериалов для адресного решения практических задач.
Опыт интеграции наночастиц в полимерные матрицы
Коллектив имеет опыт создания гибридных материалов на основе полимерных матриц с внедрёнными неорганическими наночастицами, что подтверждено научными публикациями. В настоящее время проводятся исследования по включению наночастиц в полимерные носители для получения готовых для фотокаталитических применений форм, что демонстрирует компетенции коллектива в разработке многофункциональных композитных материалов.
Таким образом, совокупность синтетических, расчетных, аналитических и прикладных компетенций, подтвержденная выполненными грантами, защищенными диссертациями и публикационной активностью, обеспечивает прочный задел для успешной реализации заявляемого проекта.
 
Научное и научно-техническое сотрудничество, в том числе международное, которое может осуществляться в рамках выполнения НИР
Научное и научно-техническое сотрудничество будет осуществляться с R&D-департаментом индустриального партнера ООО "ДЖИ ЭЛ ЭС ФАРМАСЬЮТИКАЛЗ", а также (при необходимости) с научными группами, специализирующимися на получении полимерных мембран, пленок и носителей.
Принципиально возможно также научное сотрудничество с профессором Кун Вангом (Qun Wang) из Харбинского политехнического университета (Harbin Institute of Technology) в области получения фотокаталитических материалов, однако, учитывая практическую направленность заявки, такого рода сотрудничество необходимо будет оценить с позиции разделения интеллектуальных прав.