Лаборатория полимерных биоматериалов и систем

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).

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).