Физическая химия

1) «Структурообразование в биосовместимых композитных материалах на основе полилактидов»

Использование в травматологии и ортопедии металлических крепежных изделий, таких как винты, пластины, штифты и др., не всегда оправдано из-за необходимости проведения повторной операции по их удалению. В современной медицине металлические изделия все чаще заменяются различными биоразлагаемыми материалами, среди которых наибольшую эффективность демонстрируют полиэфиры на основе молочной и гликолевой кислот. Такие полимеры, которые иногда объединяют под общим названием полилактиды (ПЛ), получают сополимеризацией L-дилактида, DL-дилактида и дигликолида. ПЛ – нетоксичные, биосовместимые и биоразлагаемые полимеры, их физико-химические свойства и склонность к биоразложению зависят от состава полимера, его кристалличности и молекулярной массы. Крепежные изделия (КИ) на основе ПЛ резорбируются в организме в процессе сращивания кости. Однако, достаточно часто возникает ситуация, когда на месте КИ возникает пустота, либо неполноценная костная ткань. Кроме того, в европейских странах число инфекций, вызванных заражением имплантационного устройства, превышает 100 тыс. случаев в год. В целом около 5% имплантируемых фиксирующих устройств заражаются. С конца прошлого столетия в медицине в многочисленных исследованиях стали появляться сообщения о способности бактерий образовывать пленчатые макроструктуры на поверхностях различных медицинских имплантатов и катетеров. Образование биопленок при этом ведет к возникновению тяжелых имплантат-ассоциированных инфекционных осложнений, сепсисов. К вышеперечисленным проблемам приводит гидрофобность материала имплантата и наличие четко выраженной границы имплантат – окружающая ткань. В настоящей работе будет проведено структурирование поверхности КИ таким образом, чтобы окружающие костные ткани «прорастали» внутрь имплантата. В таком случае устраняется четкая граница имплантат-окружающая ткань, вдоль которой могут расти биопленки бактерий. В рамках данных исследований предлагается применить новый, перспективный способ наноструктурирования поверхности КИ путем напыления (или нанесение из раствора) композитных нановолокон, состоящих из ПЛ и биологически активных компонентов белковой природы (рекомбинантных ростовых факторов и коллагена). За счет применения нановолокнистого композитного покрытия, клетки окружающих тканей будут прорастать между волокнами, и биосовместимость КИ, а также восстановление пораженного участка кости существенно улучшатся. Для усиления антибактериального эффекта предлагается вводить в состав наноструктурированного покрытия противомикробные пептиды. Предполагается активное участие аспиранта в изготовлении как материала, так и КИ, а также исследование их свойств.

Научный руководитель: Дмитрий Анатольевич Иванов – кандидат физико-математических наук, руководитель направления «Биоматериалы» Научно-технологического университета «Сириус», научные интересы: структура полимеров, композитов и жидких кристаллов, рентгеновская дифракция в больших и малых углах, теплофизические измерения, механические испытания.

2) «Разработка новых материалов для медицинских применений на основе термопластичных полиуретанов с эффектом памяти формы»

В настоящее время перспективным направлением в материаловедении является создание биодегадируемых и биосовместимых адаптивных материалов с эффектом памяти формы для медицины. Одним из наиболее интересных классов адаптивных полимеров как с фундаментальной, так и с практической точки зрения являются частично-кристаллические полиуретаны и композиты на их основе.

Полиуретан представляет собой линейный фазово-разделенный блок-сополимер, состоящий из мягких и жестких блоков. Благодаря наличию физических сшивок жестких диолуретановых блоков за счет водородных связей и кристаллизации мягких полиэфирных блоков полиуретан способен фиксировать форму после деформации и восстанавливать исходную форму при нагреве выше точки переключения, то есть демонстрирует эффект памяти формы.

В Научный центр генетики и наук о жизни разрабатываются новые термочувствительные полиуретаны и композиты на их основе с памятью формы на основе биодеградируемых полиэфиров (поли(бутиленгликоль)адипинат, поли-e-капролактон и т.д.) с температурой переключения близкой к температуре тела человека, что делает их перспективными для медицинских приложений (пластыри, ортодонтические дуги, сердечные патчи и т.д).

Целенаправленное управление скоростью кристаллизации мягкого полиэфирного блока и фазово-разделенной морфологией позволяет получать материалы с регулируемым модулем, температурным диапазоном переключения формы и скоростью восстановления формы без изменения состава полимера. Другим способом управления релаксационными процессами в адаптивных полиуретанах является введение в матрицу наноразмерных наполнителей (углеродные наночастицы, наночастицы металлов и оксидов металлов, нанокристаллическая и микрокристаллическая целлюлоза). Применение наноразмерных наполнителей не только позволяет изменять свойства термочувствительных полиуретанов, но и разработать материалы, чувствительные к ИК- и видимому излучению, а также к влажности.

Таким образом, разработка адаптивных биодеградируемых полиуретанов позволяет получать материалы с широким диапазоном свойств являющихся перспективными для промышленности и медицины.

В рамках диссертационной работы будут проводиться исследования структуры, теплофизических и механических свойств новых полиуретанов и нанокомпозитов на их основе. В частности, используя комбинацию физико-химических методов (оптическая микроскопия, ДМА, ДСК, АСМ, ПЭМ, рентгеноструктурный анализ), будет установлена взаимосвязь между строением кристаллической фазы и параметрами фиксации и восстановления формы. На основании экспериментальных данных будут разработаны морфологические модели материала для оптимизации его свойств.

Научный руководитель: Денис Валентинович Анохин – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Научно-технологического университета «Сириус», научные интересы: структура полимеров, композитов и жидких кристаллов, рентгеновская дифракция в больших и малых углах, теплофизические измерения, механические испытания, доцент Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

3) «Уникальные биомиметические материалы на основе эластомеров со щеточным блоком»

Инъекционные гидрогели обладают перспективой использования во многих биомедицинских приложениях из-за их минимально инвазивного внедрения в организм и их потенциально способности доставлять лекарства. Однако современные инъекционные препараты страдают от механического несоответствия тканям, хрупкости, плохой смачиваемости и высокой вязкости. Для решения эти проблемы, разрабатываются и синтезируются макромолекулы в виде бутылочных щеток, которые одновременно обеспечивают мягкость, прочность, текучесть и набухаемость. Синтезированные сополимеры типа линейный блок – щетка – линейный блок (LBL) способствуют улучшенному введению, поскольку компактная форма блоков щеток приводит к низкой вязкости раствора, в то время как термочувствительные линейные блоки обеспечивают быстрое гелеобразование при 37 °C. Полученные гидрогели имитируют деформационную реакцию сверхмягких тканей, таких как жировая ткань и мозг, выдерживая при этом деформации в 700% и предотвращая вытеснение воды при гелеобразовании.

Обычные синтетические гидрогели демонстрируют значительное механическое несоответствие окружающим тканям, что считается одной из основных причин воспаления в реконструктивной хирургии, а также неадекватной клеточной реакции в тканевой инженерии. Все мягкие ткани демонстрируют характерные J-образные кривые напряжения-деформации, где первоначально мягкий отклик (~1-10 кПа) сопровождается интенсивным деформационным упрочнением, также известным как твердость, в результате чего модуль увеличивается на 2-3 порядка. Напротив, в то время как различные полимерные системы хорошо подходят для создания мягких гидрогелей, сочетание этого свойства с ткане-миметической твердостью остается сложной задачей для синтетических систем. Комбинация линейных блоков и щеточных блоков имеет решающее значение для обеспечения множества жизненно важных улучшений инъекционных гидрогелей. Уникальная возможность таких систем в части повторения заданных механических свойств позволяет использовать подобные системы для производства имплантатов, не вызывающих воспаление.

В рамках диссертационной работы будут проводиться исследования структуры, теплофизических и механических свойств новых щеточных эластомеров. В частности, используя комбинацию физико-химических методов (оптическая микроскопия, ДМА, ДСК, АСМ, ПЭМ, рентгеноструктурный анализ), будет установлена взаимосвязь между строением кристаллической фазы и механическими свойствами. На основании экспериментальных данных будут разработаны морфологические модели материала для оптимизации его свойств.

Научный руководитель: Дмитрий Анатольевич Иванов – кандидат физико-математических наук, руководитель направления «Биоматериалы» Научно-технологического университета «Сириус», научные интересы: структура полимеров, композитов и жидких кристаллов, рентгеновская дифракция в больших и малых углах, теплофизические измерения, механические испытания, профессор CNRS.

4) «Разработка средств локальной доставки лекарственных препаратов и биологически активных веществ»

Разработка новых систем доставки лекарственных препаратов, обладающих способностью к контролируемому высвобождению инкапсулированных веществ, является важнейшей задачей благодаря как возможности медленно высвобождать лекарство, избавляя от шока при введении, так и благодаря способности селективно высвобождать лекарство вблизи опасных клеток или мест скопления инфекции. Это приводит к снижению побочных эффектов, снижает необходимое количество вещества, затрачиваемое на терапию и позволяет воздействовать строго на вредоносные клетки. В настоящий момент активно разрабатываются системы, получаемые путем самосборки, в том числе на границе фаз. Однако, в данном случае возникает проблема, связанная со сложностью инкапсуляции веществ в уже сформированные мицеллы и стабильностью таких мицелл. В данном проекте предлагается решить такую проблему путем использования полимерных систем, позволяющие получать наполненные системы, стабильные при введении в организм, но способные к высвобождению инкапсулированных веществ путем изменения pH или температуры.

В настоящем проекте будет решена задача создания мицелл с заданной морфологией нанодоменов, что позволит создать системы, обладающие легко контролируемой инкапсуляционной способностью, но лишенные склонности к агрегации после инкапсулирования лекарств. Предполагается использование ряда химических методов получения мицелл. Будут получены системы с достаточно сложной структурой, которые будут характеризоваться оптимальным гидрофобно-гидрофильным балансом и смогут быть использованы в качестве систем доставки лекарств благодаря их селективности.

Предполагается участие аспиранта в изготовлении мицелл, исследовании их термической устойчивости, структуры и морфологии. Предполагается изучение возможности к инкапсулированию и высвобождению активных веществ.

Научный руководитель: Дмитрий Владимирович Клинов – кандидат физико-математических наук, руководитель группы Научно-технологического университета «Сириус», научные интересы: структура полимеров, композитов и жидких кристаллов, теплофизические измерения, механические испытания.