В связи с техническими работами в центре обработки данных, возможность загрузки и скачивания файлов временно недоступна.
 

Дизайн и зондовые методы диагностики полимерных биомедицинских материалов, формируемых в среде сверхкритического диоксида углеродаНИР

Design and probe methods for the diagnostics of polymeric biomedical materials formed in supercritical carbon dioxide

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 9 июля 2018 г.-2 июля 2019 г. Дизайн и зондовые методы диагностики полимерных биомедицинских материалов, формируемых в среде сверхкритического диоксида углерода
Результаты этапа: На первом этапе выполнения проекта значительное внимание уделено как адаптации современных, но уже апробированных методов исследования материалов и процессов, так и разработке новых экспериментальных и расчетно-теоретических подходов. Впервые применен метод количественного анализа зашумленных спектров ЭПР, основанный на конволюции экспериментальных спектров со спектром той же системы «радикал – матрица», характеризующимся высоким отношением сигнал/шум, что позволяет определять количество радикалов, не превышающее 10^12 – 10^13 частиц. Для применения метода ЭПР с целью установления закономерностей процессов в сверхкритических флюидах in situ, разработанный нами ранее реактор высокого давления дополнен емкостью для быстрого напуска сверхкритического флюида. Специальный дизайн атомно-силового микроскопа в сочетании с применением оригинальных численных алгоритмов обработки позволяет проводить картирование механических свойств клеток с субмикронным разрешением и учитывать одновременно их упругие и вязкоупругие свойства. С использованием сверхкритического СО2 получены пленки и пористые матриксы на основе D,L-полилактида, импрегнированные спиновыми зондами и спин-меченым лекарственным веществом. Материалы охарактеризованы методами сканирующей электронной микроскопии, нанотвердометрии, спектроскопии ЭПР. Клеточные тесты демонстрируют отсутствие токсического действия полученных материалов. Использование методики спинового зонда позволило не только определить содержание парамагнитного вещества в материалах на основе D,L-полилактида на разных этапах его деградации in vitro, но и количественно оценить соотношение парамагнитных частиц, стабилизированных в полимерной матрице и находящихся в наполненных водным раствором порах. Показано, что аскорбиновая кислота, восстановительное действие которой является основной причиной гибели нитроксильных радикалов in vivo, практически не проникает внутрь полимерных матриксов. Основным фактором, который может вызывать снижение содержания парамагнитного допанта, является закисление областей внутри полимерной матрицы. На примере аэрогеля на основе альгината натрия показано, что анализ формы спектров ЭПР парамагнитного зонда TEMPONE в сухом полимере и в присутствии паров воды может служить основой для определения чувствительности этих полимеров к влажности воздуха.
2 3 сентября 2019 г.-9 сентября 2020 г. Дизайн и зондовые методы диагностики полимерных биомедицинских материалов, формируемых в среде сверхкритического диоксида углерода
Результаты этапа: 1.Показано, что применение метода ЭПР in situ позволяет получать как количественные, так и качественные характеристики процессов импрегнации полимеров в сверхкритических флюидах, протекающим по двум механизмам массопереноса – диффузии и адвекции. 2.На основании данных по деградации пленок PDLLA и высвобождению из них парамагнитных и оптических зондов, полученных с использованием комплекса спектральных данных и данных микроскопии, предложена модель набухания и гидролиза алифатических полиэфиров. Форма кривых высвобождения низкомолекулярных веществ из PDLLA обусловлена изменением соотношения вкладов высвобождения допантов через поры, образующиеся на разных этапах гидролитической деградации полимера. Результаты моделирования применимы для предсказания кинетических профилей высвобождения низкомолекулярных веществ из пленок PDLLA различной формы. 3. Обнаружено, что процессы набухания и порообразования в системах «спиновый зонд TEMPONE/питательная среда/клеточные сфероиды» и «TEMPONE/питательная среда» происходят медленнее, чем в системе «TEMPOL/PBS». Возможно, наблюдаемая разница связана с различными механизмами порообразования в питательной среде и в PBS, а также особенностями среды клеточных сфероидов, которая является динамической биологической системой, характеризуемой активным синтезом гидролитических ферментов, белков экстрацеллюлярного матрикса и других различных метаболитов и сложным взаимодействием между материалом и прикрепленными к нему клетками.
3 10 сентября 2020 г.-1 февраля 2022 г. зондовые методы диагностики полимерных биомедицинских материалов, формируемых в среде сверхкритического диоксида углерода
Результаты этапа: 1. На примере таких полимеров как поли(D,L-лактид), поликарбонат, полиметилметакрилат и графт-сополимер N изопропилакриламида с олиголактидом показано, что применение метода ЭПР in situ позволяет охарактеризовать процессы импрегнации полимеров в сверхкритических флюидах на качественном и количественном уровне. Для решения этой задачи разработанный нами ранее реактор высокого давления был модифицирован для быстрого напуска сверхкритического лиоксида углерода (скСО2) или раствора спинового зонда в скСО2. Получены коэффициенты диффузии спинового зонда TEMPONE в набухших в скСО2 поли(D,L-лактиде), поликарбонате и полиметилметакрилате. Установлены качественные закономерности процессов, происходящих при сбросе давления 2.Предложена детальная физическая модель набухания PDLLA и высвобождения допанта. 1) 1-2 сутки: вода диффундирует в полимер, на поверхности и в приповерхностном слое образуются поры, заполненные жидкостью. Допант переходит из полимерной матрицы в поры и диффундирует во внешний раствор. В спектре ЭПР плёнки появляется триплетный спектр, соответствующий допанту в порах. 2) 3-4 сутки: вода продолжает диффундировать в полимер, появившиеся до этого поверхностные поры углубляются, также образуются новые поверхностные поры. Допант переходит в поры в глубине образца, поэтому ему требуется большее время для достижения поверхности. Наблюдается снижение скорости высвобождения парамагнитного вещества. В результате автокаталитического гидролиза PDLLA в материале образуются внутренние поры, не связанные с поверхностью. Зонд проникает во внутренние поры и, вследствие увеличения их суммарного объёма, увеличивается доля высокоподвижных радикалов в спектре ЭПР. 3) ~5-6 сутки: выход многих поверхностных пор на поверхность закрывается. На кинетических кривых высвобождения допанта наблюдается минимум. 4) 7 сутки и далее: внутренние поры увеличиваются в размерах, соединяются системой каналов. Часть каналов прорастает в направлении к поверхности, в результате чего вещество, локализованное в этих порах, начинает высвобождаться из образца во внешнюю среду, скорость высвобождения допанта возрастает. Необратимое удаление вещества из матрицы приводит к максимуму скорости высвобождения на 17-19 сутки от начала эксперимента. 3. Определены особенности деградации матриксов на основе поли(D,L-лактида), имплантированных в мышей подкожно, в том числе характеристики воспалительных процессов, толщина пленки в зависимости от времени и др. Показано, что введение флуоресцентных и спиновых зондов не влияет на эти параметры.

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".