Базовые процессы создания и применения материалов с управляемыми ультразвуком свойствами на основе полимерных термочувствительных гидрогелейНИР

The basic processes of creation and use of materials with controllable properties through ultrasound thermosensitive polymer hydrogels

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Базовые процессы создания и применения материалов с управляемыми ультразвуком свойствами на основе полимерных термочувствительных гидрогелей
Результаты этапа: Разработан метод синтеза гидроксиапатита, основанный на ферментативном гидролизе глицерофосфата кальция щелочной фосфатазой. Показано что степень кристалличности, скорость и глубина протекания реакции, удельная поверхность, форма и распределение по размерам частиц гидроксиапатита зависят от pH, природы буфера, концентрации кальция и концентрации фермента. Повышение концентрациифермента ускоряет образование кристаллических форм. Определён средний размер частиц «ферментативного» гидроксиапатита – 1.5-2 мкм. При этом удельная поверхность находится в пределах 280-300 м2/г для кристаллических структур гидроксиапатита и 3-5 м2 /г для аморфных фосфатов. Диаметр пор лежит в интервале 2-300 нм. По данным ретнгенофазового анализа оценён размер кристаллитов гидроксиапатита, который находится в интервале 12-14 нм.
2 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Базовые процессы создания и применения материалов с управляемыми ультразвуком свойствами на основе полимерных термочувствительных гидрогелей
Результаты этапа: Разработаны методы иммобилизации щелочной фосфатазы в гидрогелевых и твёрдофазных пористых средах. Отработана методика иммобилизации в гидрогелях на стадии их синтеза. Подобраны условия процесса иммобилизации при которых фермент не теряет удельной активности. Адаптирована методика электрофоретического метода иммобилизации фермента к выбранным гидрогелевым средам. Продолжено исследования процессов ферментативного фазообразования в гидрогелевых системах. Показано, что локализация осадка определяется диффузией субстрата, кинетикой ферментативного гидролиза и зависит от природы геля и концентрации щелочной фосфатазы. Функция распределения частиц, полученных внутри агарозного гидрогеля, очень узкая..Коэффициент усиления температурных эффектов ультразвукового воздействия на ферментативно минерализованные зависит от концентрации фермента и достигает 2.9 при содержании фосфатазы в гидрогеле 0.5 мкг/мл. Проведено исследование поведения модифицированных термочувствительных гидрогелей в условиях ультразвукового воздействия. Изготовлены гидрогелевые контейнеры на основе поли-(N-изопропилакриламида). . Исследована динамика выхода тестового препарата из контейнера при ультразвуковом воздействии. Образцы, содержащие кристаллы твердофазных включений, показывают существенно более быстрый выход препарата. Ускорение выхода достигает 3-5 раз. Отработаны методики насыщения термочувствительных гидрогелей модельными лекарствами - фурацилином и ферроцероном и методики контроля транспорта из гидрогелевых контейнеров. Исследованы процессы сорбции этих соединений с гидроксиапатитом. Показано, что скоростью выхода этих соединений из гидрогелевых контейнеров можно управлять ультразвуковым воздействием докавитационной интенсивности. Разработан приборный комплекс для оценки величин ультразвуковых эффектов (тепловых и кавитационных) в минерализованных гидрогелях
3 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Базовые процессы создания и применения материалов с управляемыми ультразвуком свойствами на основе полимерных термочувствительных гидрогелей
Результаты этапа: ОТЧЁТ ДЛЯ ФОРМЫ 501 Отчёт -17ч-2 Проект был направлен на решение проблемы создания материалов с управляемыми ультразвуком свойствами. Основными задачами, которые решались в ходе выполнения проекта являлись: - разработка новых (ферментативных) методов управляемого модифицирования полимерных материалов неорганическими включениями; - исследование поведения нанокомпозитов в условиях ультразвукового воздействия с целью создание систем управляемого ультразвуком транспорта лекарственных веществ; - разработка подходов к использованию явления локального преобразования акустической энергии в полимерных системах в медицине. В ходе выполнения проекта, за период 2015-2017 гг. получены следующие результаты. Разработан метод синтеза гидроксиапатита, основанный на ферментативном гидролизе глицерофосфата кальция щелочной фосфатазой. Показано что степень кристалличности, скорость и глубина протекания реакции, удельная поверхность, форма и распределение по размерам частиц гидроксиапатита зависят от pH, природы буфера, концентрации кальция и концентрации фермента. Повышение концентрации фермента ускоряет образование кристаллических форм. Определён средний размер частиц «ферментативного» гидроксиапатита – 1.5-2 мкм. При этом удельная поверхность находится в пределах 280-300 м2/г для кристаллических структур гидроксиапатита и 3-5 м2 /г для аморфных фосфатов. Диаметр пор лежит в интервале 2-300 нм. По данным ретнгенофазового анализа оценён размер кристаллитов гидроксиапатита, который находится в интервале 12-14 нм. Отличительной особенностью «ферментативного» гидроксиапатита является сферическая форма, высокая удельная поверхность при относительно крупных размерах и порозность. В некоторых случаях сферы гидроксиапатита являются полыми. Нанометровый размер кристаллитов указывает на то, что крупные сферические образования представляют собой сложную иерархическую структуру, организованную множеством мелких кристаллов. Размерами, скоростью роста и степенью кристалличности такой структуры можно управлять, варьируя условия ферментативного гидролиза глицерофосфата. Синтез гидроксиапатита из глицерофосфата проводили из водных растворов с начальным pH=9 и буферных (глициновый и трис) с pH=9.2. В этих условиях фермент достаточно активен, устойчив и незначительно адсорбируется твёрдой фазой Проведено исследование кинетики ферментативного синтеза гидроксиапатита. Оно включало определение адсорбции фермента на гидроксиапатите при разных pH, оценку скорости ферментативного гидролиза глицерофосфата кальция с образованием гидроксиапатита. Показано, что процесс фазообразования гидроксиапатита, несколько уменьшает активность фермента. Возможное замедление реакции можно отнести на счёт уменьшения скорости связывания фосфатной группы твёрдой фазой, по сравнению с переносом её на воду. Разработаны методы иммобилизации щелочной фосфатазы в гидрогелевых (агароза, плюроник F-127) и твёрдофазных пористых средах. Отработана методика иммобилизации в гидрогелях на стадии их синтеза. Подобраны условия процесса иммобилизации при которых фермент не теряет удельной активности. Показано, что локализация образующейся твердой фазы зависит от природы геля и концентрации щелочной фосфатазы в нем. Так, в случае гидрогеля полиакриламида с концентрацией фосфатазы 5 мкг/мл образование осадка произошло только на периферии. Снижение концентрации фосфатазы до 0.5 мкг/мл приводит к более равномерному распределению твердой фазы внутри геля, хотя и в данном случае основная часть осадка локализована на периферии образца. Наиболее равномерное заполнение наблюдается для агарозного гидрогеля. Локализация осадка определяется двумя факторами – диффузией субстрата и кинетикой его гидролиза в присутствии щелочной фосфатазы. В случае плотного полиакриламидного геля с высоким содержанием фермента субстрат не успевает проникнуть в центральную зону образца, что приводит к формированию узкой зоны минерализации на периферии. Уменьшение концентрации фосфатазы и снижение диффузионных осложнений дают возможность реализовать более равномерное заполнение осадком, что наблюдается в агарозном гидрогеле. Форма частиц близка к сферической. В полиакриламидном гидрогеле частицы сильно деформированы. Это может быть связано с высокой плотностью геля, что мешает свободному росту частиц осадка. Во всех случаях наблюдается ярко выраженный рельеф поверхности, что может свидетельствовать о кристалличности образцов. Как и для фосфатов кальция, синтезированных из растворов, можно найти частицы с крупными полостями, что может указывать на начало перекристаллизации аморфных фосфатов кальция в нанокристаллический гидроксиапатит. Эти предположения подтверждаются данными рентгенофазового анализа Средний размер частиц (1 мкм), синтезированных в гидрогелях меньше, чем синтезированных в растворе. Кроме того, функция распределения частиц, полученных внутри агарозного гидрогеля, очень узкая. Это может объясняться ограничением, которое накладывает на рост частиц поровое пространство. Формирование достаточно крупных, взаимодействующих с полимерной матрицей, агрегатов гидроксиапатита при ферментативной минерализации гелей дает основание предполагать, значительный температурный эффект ультразвукового воздействия. Для оценки величин ультразвуковых эффектов (тепловых и кавитационных) в минерализованных гидрогелях был разработан приборный комплекс. Комплекс состоит из блока излучения и блока регистрации ультразвуковых эффектов (тепловых и кавитационных), снабжённого аналого-цифровым преобразователем. Для сравнительной оценки ультразвуковых температурных эффектов проводилась ферментативная минерализация образцов агарозного гидрогеля с содержанием щелочной фосфатазы в них 0.5 и 1 мкг/мл. Измерения показали, что ферментативная минерализация приводит к существенному усилению тепловыделения в гелевой матрице. Так, в случае концентрации щелочной 0.5 мкг/мл коэффициент усиления составляет 2.3±0.2, а при концентрации 1 мкг/мл – 2.9±0.3. Проведено исследование поведения модифицированных термочувствительных гидрогелей в условиях ультразвукового воздействия с целью создания систем управляемого ультразвуком транспорта модельных лекарственных веществ. Изготовлены гидрогелевые контейнеры на основе поли-(N-изопропилакриламида). Критическая температура для таких гидрогелей составляет ~35 °С. В качестве кристаллических твердофазных модификаторов использовали гидроксиапатит, сульфат бария и фталоцианин железа (II) Для осуществления управляющего воздействия был выбран ультразвук с частотой 2,64 МГц и интенсивностью 1-5 Вт/см2. Синтезированные образцы показывают значимое, от 5 до 10 раз, изменение объема при переходе через критическую точку. Исследована динамика выхода тестового препарата из контейнера при ультразвуковом воздействии. Образцы, содержащие кристаллы твердофазных включений, показывают существенно более быстрый выход препарата. Ускорение выхода достигает 3-5 раз. Модифицированные твердофазными включениями термочувствительные гели исследовались методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Были определены температуры переходов через критическую точку. Образец, содержащий фталоцианин железа, демонстрирует существенное отличие от остальных образцов в серии. НКТС повышается на 30С. Это может быть связано с достаточно сильным взаимодействием между ним и полимерной матрицей. Возможность регулирования для термочувствительных гидрогелей НКТС введением неорганических модификаторов можно использовать для изменения рабочей температуры готового контейнера. Следует отметить, что температуру перехода также можно варьировать, вводя в реакционную смесь при полимеризации другие мономеры. Исследовалась динамика коллапса гидрогелевых образцов в ультразвуковом поле. Установлено, что образцы, содержащие твердофазные включения коллапсируют существенно быстрее. Относительно медленное сжатие образца, содержащего гидроксиапатит, по сравнению с остальными модифицированными препаратами объясняется невысоким содержанием включений. Таким образом, модифицирование термочувствительных гидрогелей твердофазными включениями даёт возможность управлять как температурой перехода через критическую точку, так и его скоростью. Исследовано влияние различных режимов ультразвукового воздействия (интенсивность 0,5 – 3Вт/см2, частота – 0,8 -2,64 МГц) на кинетику выхода цитостатиков (доксорубицин, цисплатин) из гелей во внешнюю среду. Определено влияние локализации и морфологии твердофазных включений в гелях на кинетические параметры процессов управляемого транспорта. Показано, что центрально локализованные включения гидроксиапатита, обеспечивают пролонгированный, управляемый ультразвуком выход малых доз цитостатиков из гелей в реакционную среду. Кратковременное, стимулированное ультразвуком, выделение больших доз, обеспечивается равномерно распределёнными по гелевому носителю высокодисперсными включениями, нагруженными целевым продуктом. Для последнего варианта был разработан оригинальный способ синтеза высокодисперсного гидроксиапатита в низкоинтенсивном ультразвуковом поле. Было исследовано влияние ультразвука на синтез гидроксиапатита добавлением ортофосфорной кислоты к водной суспензии, содержащей гидроксид кальция. Рассматривалось воздействие ультразвука разных частот (22 кГц, 0.88 МГц, 1.76 МГц, 2.64 МГц) и различной интенсивности (0.2-25 Вт/см2) на начальные стадии фазообразования. Показано, что в выбранных условиях кристаллы гидроксиапатита, синтезированные при слабом докавитационным ультразвуковом воздействии (1.76 МГц, 0.2 Вт/см2), обладают существенно более высокой дисперсностью, чем синтезированные при воздействии интенсивного кавитационного ультразвука (22 кГц, 25 Вт/см2). Предложено объяснение полученных результатов. Исследовано влияние ультразвука малой интенсивности на активность иммобилизованного фермента и структуру синтезируемых в гелях фосфатов кальция. Показано, что ультразвук с интенсивностью до 1 Вт/см2 не влияет на активность фермента, и локализацию твердой фазы, но задерживает процесс её кристаллизации. Особой устойчивостью к ультразвуковому воздействию (вплоть до интенсивности 20 Вт/см2) обладают малоактивные формы щелочной фосфатазы, связанные со структурами не белковой природы. Это расширяет возможности применения высокоинтенсивного УЗ при синтезе материалов с управляемыми свойствами, путём иммобилизации высокоактивных форм фермента. В целях расширения перечня возможных биосовместимых неорганических модификаторов для создания систем с управляемым ультразвуком транспортом, исследовалась возможность применения кремниевых наночастиц в качестве соносенсибилизаторов. В экспериментах на клетках установлено, что в акустических полях низкой интенсивности (1-3 Вт/см2) наночастицы кремния являются эффективеыми нетоксическими соносенсибилизаторами. Этот результат является достаточным основанием для дальнейшего расширенного исследования проблемы управляемого ультразвуком лекарственного транспорта с использованием нанокремниевых модификаторов термочувствительных гидрогелей. По оптимизированной схеме синтеза и использования модифицированного термочувствительного материала разработан макет устройства с управляемым ультразвуком выходом лекарственных соединений. Таким образом, все задачи, поставленные исполнителями для достижения цели проекта, решены.

Прикрепленные к НИР результаты

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".