2020-2022
Тромбирование кровеносных сосудов, разрушение и некротизация тканей организма являются очень распространенными и трудно излечимыми заболеваниями, часто приводящими к летальным исходам. Лечение этих заболеваний, как правило, требует больших финансовых затрат и длительного времени, в том числе, требуемого для восстановления организма пациента. Проблема обостряется общим повышением возраста населения и, обусловленным этим, увеличением числа заболеваний тканей и кровеносной системы жителей развитых стран, в том числе, России. При необходимости трансплантации, использование тканей пациента оказывается не всегда возможным; запасы донорских тканей, как правило, весьма ограничены. Поэтому важной и актуальной является задача развития новых, в том числе физических, методов повышения эффективности лечения этих заболеваний, разработка и исследование новых методов адресной доставки лекарств, а также новых материалов для биоинженерии, регенерации и трансплантации тканей организма с целью восстановления поврежденных или даже некротизированных участков ткани.
Первым направлением проекта является исследование фундаментальных физических особенностей нового метода адресной доставки лекарств к тромбированным участкам кровеносных сосудов, развиваемом в ряде научных центров мира для лечения тромбозов и инсультов. Этот метод состоит во внедрении в кровеносные сосуды тромборазрушающего лекарства вместе с феррожидкостью, содержащей биологически интактные магнитные наночастицы. Под действием переменного магнитного поля частицы и их агрегаты приводятся во вращательное движение, которое индуцирует микро- и мезоскопические циркулярные потоки несущей жидкости (крови). Эти потоки намного интенсифицируют транспорт лекарства в тромбированных сосудах по сравнению с диффузионным транспортом, что создает возможности более быстрого и эффективного лечения сосудистых заболеваний, уменьшения рисков летальных исходов при инсультах и тромбозах. При реализации проекта экспериментально и теоретически будут исследованы фундаментальные особенности динамики и агрегирования магнитных наночастиц в осциллирующих и вращающихся магнитных полях; магнитного и гидродинамического взаимодействия вращающихся частиц и агрегатов; генерации ими разномасштабных циркуляционных течений несущей жидкости в сосудах, размеры и геометрия которых имитируют таковые для кровеносных сосудов.
Второе направление проекта состоит в синтезе и исследовании новых материалов для инженерии и регенерации биологических тканей. Одним из активно развиваемых направлений в этой области является использование биосовместимых гелевых матриц (скаффолдов) для роста и инженерии клеточных структур и биологических тканей. Это обусловлено тем, что в таких матрицах темп размножения клеток и роста тканей оказывается существенно выше, чем в их отсутствии; скаффолды задают необходимое направление роста, а также внутреннюю архитектуру растущей ткани; служат для нее защитой от внешних воздействий. При этой технологии биосовместимая матрица имплантируется в область, где необходимо осуществить регенерацию ткани, и фиксируется там; клетки здоровой ткани растут через матрицу, восстанавливая, тем самым, целостность и функциональность всей ткани. Использование матриц роста позволяет в разы сократить стоимость и время лечения пациентов, а также риски послеоперационных осложнений. В клинической медицине биосовместимые гелевые импланты уже используются для лечения парадонтозов, при деградации и разрушении хрящевых тканей, переломах костей черепа и опорно-двигательной системы, в кардиологии. С точки зрения регенеративной медицины и биоинженерии тканей, биосовместимые гидрогели (гели на водной основе) являются одним из самых перспективных материалов.
Использование магнитных гидрогелей в качестве матриц регенерации биологических тканей имеет ряд принципиальных преимуществ перед их немагнитными аналогами. Эти преимущества подробно обсуждаются в основной части заявки. Второй из главных задач проекта является синтез новых типов биологических магнитных гидрогелей для целей инженерии и регенерации биологических тканей, исследование фундаментальных особенностей внутренней архитектуры этих материалов, их физических свойств, поведения а также возможностей управления ими при помощи внешнего магнитного поля.
Конечной целью проекта является создание фундаментальной научной основы применения магнитных наночастиц для развития новых технологий, адресной доставки лекарств к местам тромбирования кровеносных сосудов, а также для инженерии и регенерации биологических тканей.
Оба направления проекта имеют дело с исследованием свойств и поведения ансамблей магнитных наночастиц в биологических жидких и мягких средах. Поэтому, с точки зрения фундаментальных исследований, они взаимно дополняют друг друга. Результаты, полученные при исследовании наночастиц в жидких средах, будут способствовать прогрессу при изучении поведения этих частиц в мягких гидрогелях, и наоборот.
2023-2024
За время выполнения проекта 2020 интерес к мягким и жидким материалам с нано-и микро-размерными магнитными частицами, их физическим свойствам и применению в биоинженерных и медико-биологических технологиях быстро рос во всем мире, о чем свидетельствует, в частности, большое число работ, опубликованных в 2020-2022 гг. по различным аспектам этой тематики (см. краткий обзор в п.4.1 заявки).
Проект 2023г. планируется как развитие проекта 2020г. Работы будут вестись по следующим направлениям.
1. Синтез и исследование физических свойств феррогелей как материалов для скаффолдов регенерации и инженерии биологических тканей. В 2020-2022гг. нами были исследованы феррогели на основе полисахаридов и полипептидов. Сделан вывод о том, что полипептиды вряд ли могут рассматриваться как материалы для скаффолдов, а полисахариды – весьма перспективны. За эти годы в литературе появились сообщения об успешном применении in-vivo ряда других биополимеров. В частности, было показано, что скафолды из желатина и полиакриламида могут быть успешно использованы для восстановления хрящевых тканей. Однако физические свойства этих материалов не исследовались, что существенно сдерживает их внедрение в медицинскую и биоинженерную практику. Мы планируем осуществить синтез, систематические экспериментальные и теоретические исследования феррогелей на основе физических сеток биополимеров (желатин, полисахариды) и взаимопроникающих сеток с синтетическими полимерами (полиакриламид, полигидрокиэтил(мет)акрилат) в широком диапазоне концентраций магнитных частиц. Будут исследованы их магнитные, магнитострикционные и магнитореологические свойства, а также термодинамическая совместимость компонентов магнитореологических суспензий и феррогелей.
2. Микрогели (микронные полимерные объекты с внедренными магнитными наночастицами) привлекают большой интерес как «контейнеры» для адресной доставки и высвобождения лекарств в орагнизме. Однако непосредственное наблюдение таких малых объектов затруденно. Для исследования их фундаментальных свойств нами будут синтезированы их миллиметровые модели. Будут исследованы их магнитострикционные и транспортные свойства в неоднородных магнитных полях, возможность их иммобилизации в канале с движущейся жидкостью (имитирующей кровь или лимфу) при помощи внешнего магнитного поля, особенности выделения из них лекарства под действием температуры и сжимающего (деформирующего) магнитного поля, а также фундаментальные особенности ансамбля таких частиц – их способность к структурированию под действием поля, реологические особенности суспензий этих образцов. Будут построены теоретические модели исследуемых явлений. Подобные исследования планируются впервые.
3. Будут проведены экспериментальные и теоретические исследования поперечной деформации цилиндрических образцов изучаемых феррогелей в поперечном магнитном поле.
4. Будут продолжены работы проекта по изучению возможностей интенсификации транспорта тромболитиков в тромбированных кровеностных сосудах при помощи внедренной магнитной жидкости и переменного внешнего магнитного поля. Планируется проведение эксперимента с феррожидкостью в канале, имитирующем кровеносный сосуд тромбирование которого опасно для здоровья и жизни человека. Канал будет помещен во вращающееся магнитное поле с напряженностью и частотой, удовлетворяющим физиологическим ограничениям. Будет построена теория генерируемых течений. Будет развита теория диффузионно-конвективного транспорта тромболитиков к тромбу в сосуде с возбужденными циркуляционными течениями. Эти исследлвания будут проведены впервые.
5. Будут проведены исследования магнитной гипертермии в магнитополимерных композитных образцах, имитирующих биологические ткани и микрогели. Основное внимание будет уделено, практичеки не изученному в литературе, влиянию внутренних структур, которые образуют внедренные магнитные частицы в гелевой матрице, на величину генерируемого теплового эффекта.
