Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Карттунен Микко Финляндия, Канада
Номер договора
14.W03.31.0014
Период реализации проекта
2017-2021

По данным на 01.11.2022

8
Количество специалистов
41
научных публикаций
2
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Междисциплинарные исследования, проводимые сотрудниками лаборатории, посвящены получению уникальных композитных материалов на основе биологических полимеров. Поэтапная разработка новых материалов включает в себя многомасштабное компьютерное моделирование исследуемых систем, биосинтез полимеров, их дальнейшая химическая модификация, синтез и исследование свойств новых полученных композитных материалов.

Название проекта: Разработка биосовместимых материалов на основе химически модифицированной целлюлозы

Цели и задачи

Направление исследований: Химические технологии

Цель проекта: Создание и оптимизация методологического подхода к синтезу бионанокомпозитных материалов на основе химически модифицированной целлюлозы

Практическое значение исследования

Научные результаты:

  1. Основным научным результатом проводимых в лаборатории исследований является разработка метода 3D-печати акриловых гидрогелей, упрочненных нановолокнами бактериальной целлюлозы, лабораторное производство которой налажено в ИВС РАН в рамках выполнения проекта. Основой разработанного метода является дезинтегрирование массы бактериальной целлюлозы с применением УФ-отверждаемых ионных жидкостей. Получаемые материалы потенциально интересны в качестве искусственной замены хрящевой ткани. При этом отличительной особенностью технологии является ориентация на персонифицированную медицину за счет формования изделий заданной формы в ходе аддитивного производства.

  2. Проведенные в рамках проекта исследования позволили установить параметры, определяющие механические характеристики изделий, получаемых методом 3D-печати, что позволяет направленно варьировать их жесткость и прочность. Работы, выполняемые в лаборатории в настоящее время связаны с повышением точности процесса печати, а именно соответствия между геометрическими параметрами модели и конечного изделия. Решаемая при этом проблема заключается в том, что ионные жидкости, способные наиболее эффективно дезинтегрировать бактериальную целлюлозу приводят к деградации ее кристаллической структуры и снижению степени полимеризации, что отрицательно сказывается на механических свойствах системы. Использование менее активных ионных жидкостей, хотя и позволяет осуществлять 3D-печать, приводит к получению изделий с шероховатой поверхностью и неоднородностям в объеме, что связано с периодическим засорением сопла принтера агломератами нановолокон бактериальной целлюлозы. Для решения данной проблемы в лаборатории разработан способ модификации поверхности нановолокон бактериальной целлюлозы триметоксисилилпропил метакрилатом. Этот модификатор образует на поверхности нановолокон слой, стабилизирующий их в дисперсии, а также, за счет наличия метакрилатных групп, способен ковалентно встраиваться в полиакриловый полимер, образующийся при УФ-отверждении изделия после процесса печати. Последний фактор положительно сказывается на механических характеристиках получаемых изделий.

  3. Разработаны полимерные биосовместимые и биоразлагаемые композиционные материалы на основе сложных полиэфиров алифатических гидроксикислот, характеризующиеся остеокондуктивными и схожими с рядом костных тканей механическими свойствами, что позволяет использовать их для восполнения различного размера и широкого ряда костных дефектов и ускорения регенерации костной ткани. Достижение данного результата обусловлено использованием в качестве наполнителя для полимерной основы полученных частиц модифицированной амфифильной анионной поли(аминокислотой) нанокристаллической целлюлозы, обеспечивающих улучшенное распределение наполнителя в гидрофобной полимерной матрице и связывание ионов кальция, кроме того, регулирование содержания наполнителя и вид используемой полимерной основы позволяют управлять конечными свойствами материала (механическими свойствами, скоростью биодеградации, остеокондуктивностью). Проведенные исследования с использованием модельных систем, а также in vitro и in vivo эксперименты продемонстрировали существенное улучшение биоминерализации, отсутствие острого воспаления и ускорение формирования собственной костной ткани при использовании данных композитов.

  4. Разработан ряд композитных материалов для скаффолдов хрящевой и костной тканей. Совместное использование теоретических исследований, многомасштабного моделирования и экспериментальных исследований позволило развить методологический подход к комплексному изучению нанокомпозиционных материалов на основе бактериальной целлюлозы, установить молекулярные механизмы, определяющие свойства разрабатываемых изделий и осуществить синтез материалов с улучшенными свойствами.

Внедрение результатов исследования:

Разработанные материалы на основе сложных полиэфиров и нанокристаллов целлюлозы проходят испытания на токсичность и биосовместимость с использованием модельных животных в Санкт-Петербургском научно-исследовательском институте фтизиопульмонологии Министерства здравоохранения РФ для последующей подготовки материалов к клиническим исследованиям.

Образование и переподготовка кадров:

  • Защиты: 10 выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров.
  • Разработан курс лекций и практических заданий по использованию языка программирования Python в научной работе. Курс преподается в Институте химии СПбГУ.

  • В лаборатории проходят стажировку иностранные студенты (магистранты).

Сотрудничество:

Лаппеенрантский университет технологии, Университет Хельсинки (Финляндия), Университет Сан-Пауло (Бразилия), Технический университет Эйндховена (Нидерланды), Университет Западного Онтарио (Канада): совместные исследования.

Также активно ведутся работы с другими лабораториями ИВС РАН, Институтами химии и физики СПбГУ, Институтом органический химии и биохимии (Россия).

Скрыть Показать полностью
N. Lukasheva, D. Tolmachev, M. Karttunen
Cellulose nanofibril phosphorylation: Surface structure and monovalent ions are crucial for optimizing calcium content, PCCP, 2019, 21, 1067-1077. Editors’ choice 2018 PCCP HOT Article
A.A. Gurtovenko, M. Karttunen,
Controlled on-off switching of tight binding hydrogen bonds between model cell membranes and acetylated cellulose surfaces, Langmuir, 2019, 35, 13753.
D.A. Tolmachev, N.V. Lukasheva, G.Z. Mamistvalov and M. Karttunen
Influence of calcium binding on conformations and motions of anionic polyamino acids. length, Polymers, 2020, 12, 1279.
D.A. Tolmachev, O.S. Boyko, N.V. Lukasheva, H. Martinez-Seara, and M. Karttunen,
Overbinding, qualitative and quantitative changes caused by simple Na+ and K+ ions in polyelectrolyte simulations: comparison of force fields with and without NBFIX and ECC corrections, J. Chem. Theory Comput., 2020, 16, 677.
A.D. Glova, S.G. Falkovich, D.I. Dmitrienko, A.V. Lyulin, S.V. Larin, V.M. Nazarychev, M. Karttunen, S.V. Lyulin
Scale-Dependent Miscibility of Polylactide and Polyhydroxybutyrate: Molecular Dynamics Simulations. Macromolecules. 2018, 51, 2, 552.
M.A. Smirnov, V.S. Fedotova, M.P. Sokolova, A.L. Nikolaeva, V.Y. Elokhovsky, M. Karttunen,
Polymerizable Choline- and Imidazolium-Based Ionic Liquids Reinforced with Bacterial Cellulose for 3D-Printing. Polymers, 2021, 13, 3044.
E.V. Batishcheva, D.N. Sokolova, V.S. Fedotova, M.P. Sokolova, A.L. Nikolaeva, A.Y. Vakulyuk, C.Y. Shakhbazova, M.C.C. Ribeiro, M. Karttunen, M.A. Smirnov
Strengthening Cellulose Nanopaper via Deep Eutectic Solvent and Ultrasound-Induced Surface Disordering of Nanofibers. Polymers, 2022, 14, 78.
I.V. Averianov, M.A. Stepanova, I.V. Gofman, A.L. Nikolaeva, V.A. Korzhikov-Vlakh, M. Karttunen, E.G. Korzhikova-Vlakh
Chemical modification of nanocrystalline cellulose for enhanced interfacial compatibility with poly(lactic acid). Mendeleev Communications, 2019, 29, 220.
M. Stepanova, I. Averianov, M. Serdobintsev, I. Gofman, N. Blum, N. Semenova, Y. Nashchekina, T. Vinogradova, V. Korzhikov-Vlakh, M. Karttunen, E. Korzhikova-Vlakh
PGlu-Modified Nanocrystalline Cellulose Improves Mechanical Properties, Biocompatibility, and Mineralization of Polyester-Based Composites. Materials, 2019, 12, 3435.
A.A. Gurtovenko, E.I. Mukhamadiarov, A.Yu. Kostritskii, M. Karttunen
Phospholipid-Cellulose Interactions: Insight from Atomistic Computer Simulations for Understanding the Impact of Cellulose-Based Materials on Plasma Membranes, J. Phys. Chem. B, 2018, 122, 9973-9981.
Медиа
Вторник , 03.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория перспективных материалов, зеленых методов и биотехнологий

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина - (УрФУ)

Химические технологии

Екатеринбург

Рану Бриндабан Чандра

Индия

2022-2024

Лаборатория физики поверхности и катализа

Северо-Осетинский государственный университет им. К. Л. Хетагурова - (СОГУ)

Химические технологии

Владикавказ

Заера Франциско

США

Магкоев Тамерлан Таймуразович

Россия

2019-2020

Лаборатория колебательной спектроскопии и химической визуализации

Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН (ФИЦ) - (ФИЦ ИК СО РАН)

Химические технологии

Новосибирск

Казарян Сергей Гургенович

Великобритания, Россия

Мартьянов Олег Николаевич

Россия

2019-2021