ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Цель проекта - создание новых магнитоуправляемых полимерных композиционных матриц для тканевой инженерии. Развитие тканевой инженерии и регенеративной медицины тесно связано с архитектурой и свойствами скаффолдов, которые должны обеспечивать сорбцию, пролиферацию и дифференцировку клеток. Активация тех или иных клеточных процессов может осуществляться как за счет химической структуры скаффолда, так и за счет физического воздействия. Механическая сила играет ключевую роль в регуляции множества процессов в клетках. Одним из перспективных методов создания подобных сил на различных масштабных уровнях (нано-, микро- и макро-) является стрейнтроника. Стрейнтроника - быстро развивающаяся стратегия управления физико-химическими свойствами различных материалов посредством дозируемых нано-/микродеформаций. Проект направлен на приложение и развитие идей стрейнтроники в приложении к регенеративной биомедицине.
Today, regenerative medicine is increasingly used in research in the field of biomedical implantation, for example, in orthopedics, dentistry and tissue engineering . To implement these directions, it is necessary to correctly select the desired type of cells, select the conditions for their proliferation, accelerated growth, division, etc. To achieve this, it was proposed to activate biological signals of cells for their early differentiation and accelerated growth through mechanical stimuli. Straintronics is a rapidly developing strategy for controlling the physicochemical properties of various materials by means of dosed nano- / microdeformations. The project is aimed at the application and development of the ideas of straintronics for biomedicine, namely the development of new magnetically sensitive (controlled by the method of non-invasive non- invasive nanodeformation) biodegradable matrices for tissue engineering and regenerative medicine. Various human and animal cell lines (fibroblasts, neurons, mesenchymal stromal (stem) cells, etc.) will be used as model cells. Magnetically controlled macroporous biodegradable matrices (scaffolds) of various geometries, in particular, nanofibers based on various polymers (chitosan and its derivatives, silk protein fibroin, etc.) and their composites will be obtained by electrospinning (electrospinning) and 3D additive technologies. They will be sensitized to an external control magnetic field using magnetic nanoparticles (MNPs) of spheroidal and rod-like geometry. The cytotoxicity of the resulting matrices and their ability to maintain the adhesion, growth and proliferation of various animal cell lines will be evaluated. Then, cells (fibroblasts, human stem cells, etc.) will be planted on these matrices, and experiments will be carried out to identify the optimal parameters of the matrix itself, magnetic nanoparticles and the spatio-temporal characteristics of stimulating magnetic fields for the growth and proliferation of cells during their long-term cultivation (7-10 days) in an in vitro model. The project is a complex study at the border of several fields, in particular polymer chemistry, cell biology, and theoretical and experimental physics. It includes several interrelated parts: polymer and materials science (production of biocompatible polymer matrices with conjugated MNPs); the biological part (study of the characteristics of adhesion, morphology, growth and proliferation of cells under the stimulating effect of various deformation modes of matrices) and the physical part (study of the parameters of low-amplitude oscillations and directional deformations of the matrix under the influence of low-frequency non-heating magnetic fields of various types and amplitude-frequency parameters). The results of the project can be further used as a smart platform for tissue engineering of various tissues in regenerative medicine.
В результате выполнения проекта будут разработаны теоретические модели магнитомеханического управления нано- и макромасштабными деформациями полимерных (в том числе, биополимерных) скаффолдов, функционализированных магнитными наночастицами для стимуляции направленной пролиферации и дифференцировки клеток, высаженных на матрице, с помощью низкочастотных негреющих магнитных полей тех или иных параметров. Будут определены оптимальные сочетания параметров поля, магнитных наночастиц и полимерных матриц, будут отработаны методы получения электроформованных магниточувствительных матриц из 2-3 полимеров / биополимеров и/или их композитов и их последующей функционализации магнитными наночастицами. Полученные результаты позволят систематизировать разрозненные и несистематизированные к настоящему моменту экспериментальные работы, улучшить понимание механизмов возможной наномеханической стимуляции роста и пролиферации клеток, и позволят ускорить внедрение наномедицинских технологий в тканевую инженерию и регенеративной медицину.
Коллектив исполнителей имеет опыт работ в области молекулярного дизайна, синтеза и характеризации наноматериалов на основе полимеров (в том числе, биополимеров), а также магнитных наночастиц (МНЧ), дистанционного управления МНЧ. Исполнители проекта ранее выполняли работы с культурами клеток и клеточными сфероидами, проводили исследования, направленные на изучение биологических эффектов и влияния наночастиц на живые системы различных уровней. В выполнении проекта будут участвовать специалисты в сфере моделирования эффектов магнитного поля на биообъекты, а также специалисты в сфере создания скаффолдов из различных полимерных материалов, в том числе для клеток. Участники проекта имеют публикации, в том числе совместные, в ведущих научных журналах (включая ACS Nano, Scientific Reports, Angewandte Chemie, Colloids and Surfaces, Nanomedicine NBM, Journal of Controlled Release, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Journal of Nanoparticle Research, Биохимия, Российские Нанотехнологии, и др.). Члены научного коллектива обладают высоким научным уровнем (публикации, патенты, разработки) и практическими компетенциями в нескольких взаимодополняющих областях - в химии полимеров/ биополимеров, биохимии, биофизике, физике конденсированного состояния, электронике, инжиниринге.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 апреля 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Разработка новых магнитоуправляемых полимерных композиционных матриц для тканевой инженерии |
Результаты этапа: С целью создания магнитосенсибилизированных матриц для регенеративной медицины были сформулированы подходы и критерии оценки эффективности магнито-механической активации таких матриц внешним негреющим низкочастотным магнитным полем (НЧ МП). Отобраны и обоснованы наиболее перспективные конфигурации условий дистанционного управления матрицами с помощью магнитных наночастиц (МНЧ), стимулируемых посредством НЧ МП, а именно: параметры и концентрация МНЧ в волокне, параметры самих волокон и матриц, пространственно-временные и амплитудно-частотные характеристики магнитного поля. Отработан и оптимизирован метод синтеза МНЧ типа гантель, состоящих из двух наночастиц магнетита и золота, сросшихся гранями. Строение полученных МНЧ подтверждено с помощью метода ПЭМ. В зависимости от скорости нагрева реакционной смеси были получены МНЧ, содержащие кристаллы магнетита различного размера. Синтезированные МНЧ были успешно переведены в водную среду, а поверхность золота была функционализирована серосодержащим лигандом. Полученные МНЧ охарактеризованы. Отработана методика синтеза стержневидных МНЧ на основе двухстадийного синтеза. Полученные МНЧ охарактеризованы. Показано, что синтезированные МНЧ представляют из себя стержни длиной 69 и толщиной 21 нм. МНЧ на 80% состоят из акагенита и на 20% из магнетита. Отработаны режимы электроспиннинга для получения матриц на основе фиброина, хитозана и композиций биополимеров с различным диаметром филаментов и средним расстоянием между ними. Полимерные системы на основе растворов фиброина и хитозана были использованы для получения тонких пленок, пористых криоструктур и полученных электроформованием нетканых волокнистых материалов. Разработаны подходы к получению различных типов биполимерных матриц на основе фиброина и хитозана с включенными в их состав магнитными наночастицами методами электроспиннинга, спин-коутинга и использованием криотехнологии для создания материала с приоритетным направлением магнитных моментов, наночастиц, встроенных в их структуру. Показана возможность импрегнирования в состав полученных волокнистых материалов магнитных наночастиц различной формы. Охарактеризованы комплексы скаффолдов и волокнистых матриц на основе хитозана (ХТЗ) или смеси хитозан-фиброин (ХТЗ-ФБ) с включенными в их состав МНЧ. В качестве МНЧ были использованы наночастицы магнетит-золото типа гантель или стержневидные МНЧ оксидов железа. Элементный анализ показал наличие ионов железа во всех образцах. Наибольшее количество ионов железа наблюдается в комплексе волокнистой матрицы с МНЧ типа гантель. Изучены особенности локализации и поведения клеток, а также их адгезии, распластывания, морфологии в/на полученных композитных матрицах различного состава и различной формы. Методом лазерной конфокальной микроскопии было показано, что все матрицы обеспечивали хорошую адгезию и распластывание фибробластов мыши L929 и поддерживали рост клеток in vitro. С помощью экстракт-теста и МТТ-теста проведена оценка количества жизнеспособных клеток на/в различных матрицах и установлено, что все они, включая матрицы, содержащие функционализированные магнитные наночастицы, были не токсичными для клеток. | ||
2 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Разработка новых магнитоуправляемых полимерных композиционных матриц для тканевой инженерии |
Результаты этапа: Проведено моделирование колебательных деформационных процессов в 3D волокнистых структурах с интегрированными в них магнитными наночастицами (МНЧ) под действием внешнего переменного пульсирующего линейно-градиентного и однородного магнитного полей. Показано, что для наиболее эффективного воздействия магнитным полем на разрабатываемые магниточувствительные матрицы предпочтительнее использовать переменное высокоградиентное магнитное поле с нулевой точкой в середине, а в качестве магнитной составляющей матриц использовать магнитомягкие частицы. При этом можно достичь локальных деформаций растяжения величиной до 10% и примерно таких же по величине деформаций сжатия. Силы воздействия на заключённые в матрицу клеточные культуры и иные объекты могут достигать десятков нН, что достаточно для воздействия на клеточные механочувствительные рецепторы, трансмембранные белки и другие объекты с целью получения желаемого отклика. Изучена взаимосвязь функциональной природы поверхности МНЧ, дисперсности и стабильности вязкостных свойств дисперсий и растворов хитозана и на этой основе оптимизированы условия получения стабильных высоковязких формовочных композиций. Наработаны образцы гидрогелевых матриц в виде пленок и субмикроволокнистых электроформованных материалов, содержащих магнитные частицы.Проведены механические испытания биополимерных пленок хитозана различной толщины (30 мкм и 100 мкм). Проведено исследование локальных механических характеристик разрабатываемых биополимерных матриц с помощью методики непрерывного наноиндентирования (NI). Механические испытания биополимерных пленок хитозана проводили также в жесткой машине (то есть при программно задаваемом смещении) с осциллирующей компонентой деформации. Данные проанализированы методами динамического механического анализа (ДМА). Определены геометрические и микромеханические характеристики экспериментальных образцов. Результаты анализа свидетельствуют о существенной роли сложных вязкоупругих механизмов деформации и требуют дальнейшего изучения скоростных зависимостей деформационных откликов используемых материалов на приложенную внешнюю нагрузку.Для микромеханической характеризации магнитоуправляемых биополимерных матриц разработан и изготовлен рабочий макет установки, совместимой с флуоресцентным микроскопом с целью обеспечения возможности проведения исследований in situ. Рабочий макет позволяет проводить многоцикловые микромеханические испытания в режиме «жесткой» и «мягкой» машины с установленными оператором частотой (0,1 – 10 Гц) и амплитудой (10 – 300 мкм). Для апробации устройства и методики микромеханической характеризации были изготовлены и исследованы образцы биополимерных матриц. При исследовании действия механических нагрузок циклического характера при деформации на 0,1 мм величина максимальной нагрузки варьировалась от 0,9 до 4,5 Н для разных образцов. При этом максимальное напряжение, выдерживаемое биополимерными матрицами, варьировалось в диапазоне от 4,5 до 46 МПа. Все образцы оказались чувствительными к действию механической нагрузки, но в разной степени. Установлены деформационные характеристики поведения биополимерных матриц в силовом поле.Изучены особенности дифференцировки стволовых клеток человека (МСК-имм) при их длительном культивировании на матриксах и показано с использованием ПЦР в режиме реального времени, что состав матрикса может не только влиять на морфологию и пролиферацию клеток, но также индуцировать остеогенез стволовых клеток. Обнаружено, что все матриксы, загруженные магнитными наночастицами, хорошо поддерживали рост и пролиферацию как клеток мышиных фибробластов (L929), так и стволовых клеток человека (МСК-имм). При этом тип наночастиц и их содержание в матриксах (5 или 10 % w/w) незначительно влияли на пролиферацию клеток. Таким образом, было установлено, что загрузка всех матриксов магнитными наночастицами не снижала пролиферацию клеток и, следовательно, такие матриксы могут быть использованы в дальнейших экспериментах при изучении влияния переменного низкочастотного магнитного поля на пролиферацию и/или дифференцировку клеток. | ||
3 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Разработка новых магнитоуправляемых полимерных композиционных матриц для тканевой инженерии |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".