2021-2023
Проект посвящен разработке трехмерных наноструктурированных полимерных каркасов за счет использования аддитивных технологий и биосинтетических подходов и моделированию процессов самосборки наноструктур для применения в области регенеративной медицины и оптически активных биоструктур.
Научная новизна проекта заключается в том, что впервые для этих целей будет использоваться натуральный шелк паука, обладающий развитой иерархической структурой из белковых макромолекул (склеропротеинов) и в отличие от синтетических полимеров, обладает сложной вторичной и третичной структурой, определяющей их организацию на более высоком уровне, и приводящей к уникальным физико-химическим характеристикам, что позволяет формировать новые материалы различной морфологии в виде пленок, капсул, сфер или гидрогелей. Следует отметить, что основной массив данных описанных в литературе посвящен получению материалов из шелка шелкопряда или искусственной (рекомбинантной) паутины. Но полное воспроизведение свойств натуральной паутины все еще остается нерешенной проблемой, ввиду трудностей репликации полной длины рекомбинантных белков.
Ранее нами было показано, что путем химической обработки шелка пауков (Holothele incei и Linothele fallax) возможно получение наноразмерных склеропротеинов, которые будут обеспечивать коллоидно-химические и реологические свойства системы и формировать основу чернил для трехмерной печати. Используя подходы математического моделирования для предсказания и управления процессами самосборки за счет введения неорганических частиц, поверхностно-активных компонентов или полиэлектролитов будет проведена формуляция чернил для 3D биопринтера и напечатаны трехмерные полимерные каркасы.
Актуальность проекта обосновывается уникальными свойствами материалов на основе склеропротеинов: высокой биосовместимости, биоразлагаемости и низкой иммуногенности, что дает высокий потенциал для различных практических приложений, в данном проекте применение полимерных материалов будет сконцентрировано на следующих направлениях: тканевая инженерия, имплантология и оптические системы:
1. Известно, что архитектура пор в трехмерных полимерных каркасах играет критическую роль в тканевой инженерии, поскольку она обеспечивает жизненно важную основу для организации клеток в функциональную ткань. Актуальность предлагаемого решения указанной проблемы заключается в формировании уникальной матрицы, сочетающей развитую пористую взаимопроникающую структуру, обеспечивающую быстрый рост клеточных культур и наличие достаточной прочности, обеспечивающей устойчивость к физиологическим нагрузкам во время интеграции и заживления. Таким образом, нерешенной задачей является дизайн и создание механически прочных трехмерных каркасов с развитой пористостью и биологической совместимостью.
2. Большая доля используемых на сегодняшний день имплантатов производится из металлов или их сплавов, концепция использования натурального шелка паука в качестве самостоятельных или защитных элементов имплантатов позволит решить проблему низкой коррозионной и бактериальной стойкости металлических сплавов без использования химических веществ и антибиотиков, что имеет большой клинический потенциал.
3. Известно, что благодаря уникальной макроструктуре гидрогели являются перспективной платформой для создания оптических устройств биомедицинского применения, но вследствие внешнего воздействия ориентация структурных элементов в геле может нарушаться, что негативно сказывается на оптических свойствах системы.
Актуальность предлагаемого решения указанной проблемы заключается в создании гибридной системы, сочетающей взаимопроникающие полимерные сети, где сшитые длинноцепочечные полимеры обеспечивают эластичность и ударную вязкость гидрогеля за счет распределения механической нагрузки при деформации. Таким образом будут получены оптические устройства для мониторинга, например, уровня оксигенации крови в биологических тканях или для диагностики биохимических аналитов.
Таким образом, предложенный проект решает комплексную междисциплинарную задачу, объединяющую вопросы дизайна/моделирования и применения аддитивных технологий для получения прототипов высокотехнологичных материалов биомедицинского направления.