В связи с техническими работами в центре обработки данных, часть прикреплённых файлов в настоящее время недоступна.
 
скрыть

Создание функционализированного композитного фотоотверждаемого биоразлагаемого материала на основе структурного белка шелка и метакрилированных производных желатинаНИР

Creation of a functionalized composite photocurable biodegradable material based on the structural protein of silk and methacrylated gelatin derivatives

Источник финансирования НИР

ФЦП: Федеральная целевая программа, Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы»

Этапы НИР

# Сроки Название
1 27 сентября 2017 г.-31 декабря 2017 г. Теоретические исследования поставленных задач. Разработка научных и технологических основ.
Результаты этапа: В соответствии с утвержденным планом-графиком и техническим заданием проекта были выполнены работы по разработке научно-технической документации для создания биоразлагаемых материалов на основе белковых и пептидных последовательностей для изготовления шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных изделий. Изделия синтезированы по типу взаимопроникающих полимерных сеток (ВПС). ВПС являются сшитыми полимерными сетками, которые способны поглощать большое количество воды и набухать до равновесного состояния. Благодаря этой способности ВПС такие изделия очень схожи с натуральными тканями и часто показывают хорошую биосовместимость. В полученных изделиях фотосшиваемые ВПС гидрогели на основе метакрилированного желатина (GelMA) и фиброина шелка (FB), образованны путем последовательной полимеризации и обладают настраиваемыми структурными и биологическими свойствами. В результате показана возможность получения биорезорбируемых трехмерных структур с применением технологии фотополимеризации, используемой в фотополимерных 3D-принтерах. При этом обеспечивается высокая скорость фотополимеризации. В перспективе данная разработка позволит получать пористые конструкции заданной формы и с контролируемой структурой, в том числе на основе компьютерных моделей. Данный способ характеризуется простотой и технологичностью, возможностью использования недорогого и доступного сырья, что в сочетании с уникальными свойствами получаемых описанных способом структур, а именно обладающих достаточными механическими свойствами для поддержания целостности структуры в физиологических условиях, пористой структурой, обеспечивающей миграцию клеток, в том числе прогениторных и свободное проникновение растворенных питательных веществ и факторов, обеспечивает возможность получения доступного конкурентоспособного продукта. Для полученных экспериментальных образцов в соответствии с утвержденной Программой и методиками были выполнены исследования свойств полученных изделий. При исследовании структуры методом сканирующей электронной микроскопии было установлено, что внутреннее пространство высушенных экспериментальных образцов характеризовалось пористой структурой. Анализ данных по исследованию деградации показал, что при продолжительной инкубации как в нейтральной, так и в окисляющей среде наиболее стабильны экспериментальные образцы с массовым соотношением метакрилированного желатина и фиброина 1:1. Так на 21 день инкубации в фосфатно-солевом буфере их масса изменилась не более чем на 35%, а в окисляющей не более чем на 50%. В то время как масса образца не содержащего фиброин на третьей неделе эксперимента составила чуть более 20% в нейтральной среде и 5% в реактиве Фентона. Таким образом добавление фиброина в состав материала способствует его устойчивости к деструкции в тестах in vitro. Анализ данных по исследованию механических свойств разработанных экспериментальных образцов показал, что наибольшим значением модуля Юнга при 1 Гц, обладает экспериментальный образец функционализированного шелкоподобного биоинтегрируемого двумерного медицинского изделия с массовым соотношением метакрилированного желатина к фиброину 1:1, его составило 140 кПа, что почти в 10 раз больше чем этот же показатель у использовавшегося в качестве контроля образца из метакрилированного желатина, не содержащего в своем составе фиброин. Значение модуля Юнга при 1 Гц экспериментального образца функционализированного шелкоподобного биоинтегрируемого двумерного медицинского изделия с массовым соотношением метакрилированного желатина к фиброину 2:1 равно 80 кПа. Таким образом добавление фиброина в состав материала способствует его увеличению его способности сопротивляться растяжению и сжатию при упругой деформации. В сравнительных исследованиях продемонстрировано, что функционализация экспериментальных образцов посредством введения в состав материала изделий эпидермального фактора роста и сульфадиазина серебра не оказывает значительного влияния на структуру, деградацию и механические характеристики разрабатываемых медицинских изделий.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Исследовательские испытания экспериментальных образцов. Обобщение и оценка полученных результатов.
Результаты этапа: В основе второго этапа – масштабный блок экспериментальных исследований с целью изучения свойств созданных экспериментальных образцов функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий из разработанного функционализированного композитного фотоотверждаемого биоразлагаемого материала на основе структурного белка шелка и метакрилированных производных желатина. Цели и задачи 2 этапа. Основная цель 2 этапа проекта – проведение исследовательских испытаний экспериментальных образцов; выполнение обобщения и оценки полученных результатов. Задачи этапа: • Наработка необходимого для выполнения работ этапа количества экспериментальных образцов нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий. • Проведение в соответствии с утвержденной Программой и методиками исследовательских испытаний анализа биосовместимости (адгезия, пролиферация, жизнеспособность культивируемых клеток) экспериментальных образцов нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий. • Проведение в соответствии с утвержденной Программой и методиками исследовательских испытаний анализа влияния функционализации субстрата на скорость миграции клеток, участвующих в регенерации. • Проведение в соответствии с утвержденной Программой и методиками исследовательских испытаний анализа острой токсичности экспериментальных образцов нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий. • Отработка модельной системы для выполнения исследований в экспериментах in vivo. • Разработка тканеинженерной конструкции на основе функционализированно шелкоподобной биоинтегрируемой пористой плёнки с иммобилизованными на её поверхности кериатиноцитами и фибробластами. • Проведение в экспериментах in vivo сравнительных исследований регенеративных свойств полученных нефункционализирован функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых пористых плёнок и сформированных тканеинженерных конструкций. • Проведение дополнительных исследовательских испытаний. А также комплекс работ, направленных на обобщение и оценку выполненных прикладных научных исследований. Разработка рекомендаций по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации конечной продукции. Разработка Проекта технического задания на проведение ОТР по теме «Разработка технологии производства функционализированных биоразлагаемых материалов белковой природы с новыми потребительскими свойствами». Проведение дополнительных патентных исследований. Проведение маркетинговых исследований. В результате выполнения исследовательских испытаний 2 этапа проекта были получены следующие результаты: были наработаны экспериментальные образцы изделий в виде пористых пленок из нефункционализированного и функционализированного композитного биорезорбируемого материала на основе структурного белка шелка и метакрилированных производных желатина, а также экспериментальные образцы тканеинженерной конструкции на основе функционализированной шелкоподобной биоинтегрируемой пористой плёнки с иммобилизованными на её поверхности кератиноцитами и фибробластами. Далее в соответствии с утвержденной Программой и методиками были проведены исследования биосовместимости экспериментальных образцов. Анализ результатов, полученных в ходе исследовательских испытаний, показал, что экспериментальные образцы разрабатываемых нефункционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий и экспериментальные образцы разрабатываемых функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий продемонстрировали высокие показатели биосовместимости in vitro, включая способность поддерживать адгезию, пролиферацию и жизнеспособность фибробластов и кератиноцитов, что было продемонстрировано как на иммортализованных, так и на первичных культурах. В ходе проведения экспериментальных исследований было показано, что эпидермальный фактор роста в составе функционализированных образцов высвобождается пролонгировано, что приводит к тому, что он не накапливается в среде культивирования на исследованных временных интервалах в количествах, достаточных, чтобы разница между исходной концентрацией эпидермального фактора роста в среде, стала достаточно большой для того, чтобы это проявилось в показателях адгезии и пролиферации достаточно явным образом. Такой характер влияния исследуемых ЭО на адгезию и пролиферацию рассматриваемых типов клеток может обеспечить преимущество при их использовании in vivo. При исследовании особенностей клеточной миграции на поверхности экспериментальных образцов нефункционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий и экспериментальных образцов функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий, было показано, что все типы изделий поддерживают миграцию первичных и иммортализованных фибробластов и кератиноцитов, при этом было установлено, что функционализация не оказывает явного влияния на подвижность клеток в условиях in vitro. Также в экспериментах in vitro была выполнена разработка тканеинженерной конструкции на основе функционализированной шелкоподобной биоинтегрируемой пористой плёнки с иммобилизованными на её поверхности кератиноцитами и фибробластами, экспериментальные образцы которой далее были использованы для выполнения сравнительных исследований регенеративных свойства экспериментальных образцов нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий и экспериментальных образцов тканеинженерной конструкции. Как было сказано ранее, в области тканевой инженерии и регенеративной медицины в качестве наиболее перспективного направления, что подтверждается многочисленными публикациями российских и зарубежных авторов, рассматривается именно такой подход – создание тканеинженерных заменителей тканей, которые обычно состоят из аналога внеклеточного матрикса (скаффолды (матрицы) на основе биосовместимых биорезорбируемых материалов) и тканеспецифичных или плюрипотентных клеток/клеточных композиций, введение которых в состав тканеинженерных конструкций в значительной степени усиливает их регенеративные свойства. Следующий важный этап исследовательских испытаний при изучении потенциальных медицинских изделий – проведение исследований in vivo, в рамках которых были выполнены исследования острой токсичности и сравнительные исследования регенеративных свойства экспериментальных образцов нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий и экспериментальных образцов тканеинженерной конструкции. Исследование острой токсичности экспериментальных образцов нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий показало отсутствие достоверных отличий в количестве потребляемой пищи и воды, динамике изменения массы тела и в массе и внешнем виде внутренних органов между экспериментальными и интактными животными. Во время эксперимента ни одно животное не пало. Полученные данные свидетельствуют о том, что экспериментальные образцы нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий не вызывают острых токсических реакций. Имплантация нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий, а также экспериментальных образцов тканеинженерной конструкции на основе функционализированной шелкоподобной биоинтегрируемой пористой плёнки с иммобилизованными на её поверхности кератиноцитами и фибробластами приводила к более полной регенерации ткани по сравнению с контролем через месяц после операции. Гистологическое исследование препаратов показало, что во всех экспериментальных группах полностью восстановлены эпидермиса и дермы, включая придатки кожи. Кроме того, в образцах, полученных после имплантации тканеинженерной конструкции на основе функционализированной шелкоподобной биоинтегрируемой пористой плёнки с иммобилизованными на её поверхности кератиноцитами и фибробластами были выявлены мышечные волокна и жировая ткань. В результате проведенных исследований было установлено, что использование нефункционализированных и функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий приводит к более качественной регенерации полнослойных ран кожи мыши по сравнению с традиционными ватно-марлевыми повязками. При этом, наибольшую эффективность демонстрируют экспериментальных образцов тканеинженерной конструкции на основе функционализированной шелкоподобной биоинтегрируемой пористой плёнки, имплантация которых приводит более полному восстановлению тканей по сравнению с остальными группами. В рамках дополнительных исследовательских испытаний было решено попробовать использовать разработанный материал, помимо формирования двумерных изделий еще в одной перспективной области приложения – для формирования трехмерных трубок для восстановления дефектов ЖКТ у лабораторных животных, так как проблема восстановления полых органов ЖКТ. В результате проведенных исследований было установлено, что трубки на основе композитного фотоотверждаемого биоразлагаемого материала на основе метакрилированных производных структурного белка шелка и желатина получают методом фотоотверждения из смеси метакрилированных фиброина и желатина приводит к качественной регенерации как 3 мм, так и 10 мм дефектов стенки тонкого кишечника крысы. При этом, происходит восстановление всех функциональных слоев кишечника: слизистую, подслизистую, мышечную (слои продольных и циркулярных мышц) и серозную оболочки. Таким образом, разработка имплантатов в виде трубок на основе композитного фотоотверждаемого биоразлагаемого материала на основе метакрилированных производных структурного белка шелка и желатина получают методом фотоотверждения из смеси метакрилированных фиброина и желатина может оказаться перспективным методом устранения синдрома короткого кишечника. Проведенный в ходе выполнения 1-2 этапов сравнительный анализ современных результатов, полученных другими научными группами и опубликованных в ведущих научных изданиях в данной области, свидетельствуют о высоком потенциале использования разработанных экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани в терапевтической медицинской практике и об успешном выполнении данных прикладных научных исследований и экспериментальных исследований. Выполненные прикладные научные исследования и полученные результаты направлены на реализацию приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации, определенных Стратегией научно-технологического развития Российской Федерации, обеспечивающих переход к персонализированной медицине, к высокотехнологичному здравоохранению и к технологиям здоровьесбережения. В итоге выполнения экспериментального блока проекта были получены данные, свидетельствующие о соответствии параметров разработанных функционализированных шелкоподобных биоинтегрируемых двумерных медицинских изделий требованиям, предъявляемым к аналогичным изделиям – потенциальным продуктам для использования в регенеративной медицине, и о перспективности их дальнейшей разработки и внедрения в клиническую практику.

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".