Разработка биосовместимых материалов на основе химически модифицированной целлюлозы

За время выполнения 3-го этапа работ по проекту в соответствии с планом научного исследования проведены комплексные исследования материалов, полученных на предыдущем этапе работы, а также продолжены работы по оптимизации методики химической модификации нанокристаллической целлюлозы и материалов на ее основе. Исследования проводились с использованием как экспериментальных методов, так и методов компьютерного моделирования. Разрабатываемые материалы в рамках проекта нацелены на медицинское применение. Так, в рамках отчетного периоды была исследована возможность применения материалов на основе модифицированных волокон бактериальной целлюлозы для получения биосовместимых электродов (раздел 1.6). Показано, что использование нановолокон бактериальной целлюлозы модифицированных поли(акриловой кислотой) и полипирролом позволяет получать электродные материалы с удельной емкостью, сопоставимой или превосходящей подобные материалы на основе БЦ, описанные в литературе. Проведен поиск оптимальных катализаторов для получения амфифильных материалов на основе гликосиликонов, подходящих для применения в косметологии (раздел 1.7). Показано, что использование катализатора Rh(acac)(CO)2 приводит не только к значительному увеличению скорости реакции, но и к более эффективной прививке полисилаксанов к целлюлозе. Большое внимание в рамках проекта было уделено исследованию многоуровневой структуры и свойств материалов на основе сложных полиэфиров и модифицированных наночастиц целлюлозы, которые могли бы использоваться в тканевой инженерии. Так, с использованием полноатомного моделирования структуры нанокомпозитного материала на основе поли(молочной кислоты), наполненного целлюлозой модифицированной олигомерами молочной кислоты, продемонстрирована, важность контроля длины привитых цепей (раздел 1.10). Было показано, что при увеличении длины привитые цепи начинают формировать упорядоченную структуру. Исследована зависимость длины привитых полимерных цепей и плотности их прививки от условий полимеризации (раздел 1.5). С использованием крупнозернистого моделирования рассчитана максимальная объемная доля нанокристаллов целлюлозы в полимерной матрице поли(молочной кислоты), при которой сохраняется однородное распределение нанокристаллов (раздел 1.9). Исследованы биологические свойства материалов на основе целлюлозы. С использованием атомистического компьютерного моделирования исследованы процессы спонтанной самоорганизации фосфолипидных молекул на поверхности кристаллов целлюлозы различной степени гидрофильности (раздел 1.2). Сделан вывод о том, что адсорбцию и самоорганизацию липидных молекул у поверхности кристалла целлюлозы можно контролировать путем поверхностной модификации целлюлозы. Исследована адгезия, рост и дифференциация клеток в полученных на прошлых этапах проекта композиционных материалах на основе сложных полиэфиров и нанокристаллов целлюлозы, модифицированных олигомерами глутаминовой кислоты (раздел 1.8). Установлено, что для всех материалов уровень клеточной адгезии не зависит от типа и количества наполнителя, а материалы на основе поликапролактона вызывают меньшую воспалительную реакцию, чем материалы на основе поли(молочной кислоты). Изучение 5 результатов биоминерализации исследуемых композиционных материалов показало, что использование нанокристаллической целлюлозы, модифицированной поли(глутаминовой кислотой), усиливает формирование кальциевых отложений, а, следовательно, биоминерализацию материалов. В рамках крупнозернистого моделирования проведено исследование молекулярных механизмов биоминерализации поверхности модифицированной целлюлозы (раздел 1.3). Теоретическими методами исследованы сорбционные свойства кристаллической целлюлозы. В результате атомистического компьютерного моделирования исследованы молекулярные механизмы десорбции лекарственных соединений с целлюлозной подложки (раздел 1.1). Полученные данные о зависимости скорости высвобождения антимикробных агентов в раствор с поверхности нанокристаллов целлюлозы от типа их химической структуры создаёт основу для разработки перевязочных материалов и раневых покрытий с регулируемым высвобождением лекарственных соединений. В рамках метода производящих функций исследована адсорбция одиночной цепи гомополимера на неоднородной в двух направлениях поверхности (раздел 1.4). Показано влияние количества адсорбированных на поверхности звеньев цепи на долю ее транс-изомеров. За отчётный период выполнены все индикаторы эффективности. Сотрудники лаборатории за отчетный период приняли участие в 9 международных конференциях по тематике работы, представив в общей сложности 18 докладов, а также участвовали в организации 6-й международной конференции по термопластичным полимерам (6th International Conference on Thermoplastic Polymers, St. Petersburg, September 12-13, 2019). Опубликовано 6 статей в журналах, индексируемых в сети Web of Science, 3 из которых входят в состав первого квартиля (Q1) по профильным темам проекта (Химические технологии, Химия, Технологии материалов или Физика). Подана заявка и получен патент на изобретение «Способ получения нановолокон бактериальной целлюлозы».