Современные имплантаты, которые используются в ортопедической, реконструктивной и онкологической медицине, как правило, изготавливаются из нержавеющей стали, титана и различных сплавов металлов. Важной проблемой для таких имплантатов, мешающей им приживаться в организме, становятся бактерии, которые образуют биопленки и отличаются повышенной устойчивостью к действию иммунной системы, антибиотиков и дезинфицирующих средств. Особенное значение это приобретает в онкологической практике, где пациенты имеют сниженный иммунитет и склонность к инфекционным осложнениям.

Чтобы препятствовать размножению бактериальных колоний, на поверхность имплантатов наносят специальные покрытия. В медицине еще не выработан идеальный состав таких покрытий, и до сих пор продолжаются поиски наиболее эффективного материала для подобных применений. Ученые ИНХ СО РАН предлагают наносить на имплантаты пленочные гетероструктуры Ag/Ir или Ag/Au, полученные методами физического и химического осаждения из газовой фазы. Это позволяет проводить эксперименты при относительно низких температурах и работать с изделиями сложной 3D-геометрии.

 Покрытия Ag/Ir и Ag/Au позволяют имплантатам приживаться в организме

«Сформированные нами структуры представляют собой биоматериалы с подслоем металлов платиновой группы или золота, на который затем наносится активный компонент — серебро с различной концентрацией и поверхностным состоянием (наночастицы, нанокластеры, островковые или тонкие сплошные пленки). Иридий и золото выбраны в качестве подслоя для активации антибактериального эффекта, который определяется разницей потенциалов в гальванических парах “серебро — благородный металл” и, соответственно, динамикой выделения серебра в биологическую среду», — рассказывает главный научный сотрудник ИНХ СО РАН доктор химических наук Наталья Борисовна Морозова.

В гальванических парах “серебро — благородный металл” происходит анодное растворение серебра как более активного металла. В этом случае ионы серебра, обладающие антибактериальным эффектом, выделяются в раствор более эффективно, чем ионы серебра с поверхности имплантата без подслоя (здесь Ag выступает как катод, и поэтому отсутствует электрохимическая активация процесса).

В новом исследовании ученые оценили биоцидное действие таких покрытий по отношению к наиболее распространенным в онкологической практике колониям грамположительных (S. аureus, золотистый стафилококк) и грамотрицательных (P. аeruginosa, синегнойная палочка) бактерий. Работа проводилась совместно с коллегами из Национального медицинского исследовательского центра им. ак. Е. Н. Мешалкина, Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Новосибирского государственного университета. ИНХ СО РАН отвечал за нанесение гетероструктур на материалы имплантатов. В НГУ и ИФП СО РАН исследовались состав, микроструктура, морфология и другие характеристики получаемых покрытий, а в НМИЦ им. ак. Е. Н. Мешалкина — их биологические характеристики (цитотоксичность, антибактериальная активность, здесь же проводился морфогистологический анализ).

В качестве материала имплантата ученые использовали сплав Ti-6Al-4V (диски диаметром 10 мм, толщиной 2 мм). На него наносили подслои Ir или Au толщиной порядка 1 мкм, а затем на поверхность осаждали антибактериальный компонент — серебро в различных состояниях. Содержание металла на поверхности и динамику растворения серебра изучали методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой ИСП-АЭС. Затем исследовали биосовместимость на культурах клеток и при подкожной имплантации образцов лабораторным животным (имплантаты туда помещали сроком на 30 и 90 дней). В данном случае изучали капсулу из фиброзной ткани, которая естественным образом формируется в результате реакции организма на инородное тело.

Результаты экспериментов показали, что покрытие с подслоем из золота, на поверхности которого оксидная фаза Ag является преобладающей, демонстрировало менее интенсивный, но более пролонгированный процесс растворения серебра. Такие образцы показали отсутствие признаков воспаления даже при длительных временах имплантации. Структура с подслоем из иридия, в свою очередь, характеризовалась максимальным растворением основной части серебра.

«Мы ищем пути, которые позволили бы реализовать двойной эффект: быстрое выделение серебра на первом этапе плюс его пролонгированное высвобождение в течение длительного времени, необходимое, чтобы сохранить антибактериальный эффект в течение всего срока приживаемости имплантата (минимум три месяца). Структура Ag/Au показалась нам наиболее перспективной, поскольку она способна выделять серебро дольше всех остальных вариантов. Наличие в Ag/Au окисленной фазы Ag в виде пленки препятствует быстрому растворению активных наночастиц серебра и мелких нанокластеров, которые постепенно выделяются в биологическую среду. Однако Ag/Au работает медленно на первом этапе, что является недостатком. Мы продолжаем искать пути, которые позволили бы управлять фазовым составом антибактериального компонента, чтобы обеспечить оптимальную динамику выделения серебра для пленочных гетероструктур на основе благородных металлов», — рассказывает Наталья Морозова.

Исследование выполнено в рамках проекта РНФ № 20-15-00222-П «Новые классы онкологических имплантируемых устройств с композиционными покрытиями из благородных металлов».

Диана Хомякова

Изображение предоставлено исследователями

"Исследователи Института неорганической химии СО РАН создали мезопористые металл-органические координационные полимеры - уникальные соединения для выделения легких алканов (метана и этана) из сложных многокомпонентных смесей. Эти углеводороды широко используют в энергетике и химической промышленности", - говорится в сообщении.

Традиционно легкие алканы (метан, этан, пропан, бутан и др.), необходимые в энергетике и химической промышленности, и природный газ разделяют с помощью криогенных установок при экстремально низких температурах, однако значительные энергозатраты приводят к снижению рентабельности процесса. Ученые из ИНХ СО РАН предложили использовать другой метод, основанный на технологии разделения газов с помощью адсорбции.

Ученые показали, что разработанные ими сорбенты NIIC-20 демонстрируют высокие значения сорбционной емкости метана, этана, пропана, а также одни из лучших значений селективности. Процесс разделения не требует охлаждения и имеет рекордно высокую производительность.

О модернизации установки

Работы выполнены в рамках проекта по модернизации и проведению исследований на уникальной научной установке (УНУ) "Станция EXAFS-спектроскопии", который реализует Институт катализа СО РАН при поддержке государственной программы "Научно-технологическое развитие Российской Федерации". Установка позволяет исследовать атомную структуру и химический состав различных образцов в жидком и твердом состояниях.

Модернизация позволит проводить эксперименты, для которых в России пока нет приборной базы. Отработанные методики и установки будут перенесены на Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ).

Модернизация станции повысит ее производительность и позволит решать задачи в области разработки каталитических систем нового поколения, исследования функциональных материалов, а также фундаментальной медицины.

Источник Пресс-служба ФИЦ "Институт катализа СО РАН", 30.06.2023

Новость в других источниках:

национальныепроекты.рф, 12.07.2023 В Новосибирске предложили новый способ разделения ценных углеводородов

Наука в Сибири, 07.07.2023 Ученые создали эффективные сорбенты для разделения ценных углеводородов

Российская академия наук, 04.07.2023 Новые эффективные сорбенты для выделения ценных углеводородов в природном газе

NEFTEGAS.info, 03.07.2023 Новосибирские ученые создали сорбенты для выделения ценных компонентов из природного газа

Атомная энергия 2.0, 03.07.2023 Институт неорганической химии СО РАН создал эффективные сорбенты для разделения ценных углеводородов

Сделано у нас, Российские ученые создали эффективные сорбенты для разделения ценных углеводородов

ПРАЙМ, агенство экономической информации, 30.06.2023 В Сибири придумали новый способ получения важнейших углеводородов

Neftegaz.RU, 30.06.2023 Сибиряки создали сорбенты для выделения ценных компонентов из природного газа

Бурение и нефть, журнал, 30.06.2023 Новый способ получения важнейших углеводородов придумали в Сибири

«Эта работа продолжается в рамках гранта Российского научного фонда. Стоит задача в том числе получить новые люминесцентные материалы для биовизуализации. Чтобы создать материалы с заданными характеристиками, мы исследуем не только люминесцентные свойства, но и состав, структуру разрабатываемых соединений», — рассказывает старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Елизавета Викторовна Лидер.

Существующие сегодня люминесцентные красители для биовизуализации — это преимущественно органические вещества, у которых есть серьезные недостатки. Во-первых, многие из них токсичны: если добавить их в питательную среду, клетка сразу погибает, и становится невозможно исследовать ее в живом виде. Во-вторых, некоторые органические соединения плохо переносят свет — они разрушаются и не позволяют увидеть необходимые клеточные структуры. Поэтому ученые ищут агенты для биовизуализации среди комплексов лантанидов с органическими или неорганическими лигандами.

Лантаниды — семейство из 14 химических элементов с порядковыми номерами 58—71, расположенных в VI периоде системы Менделеева за лантаном и сходных с ним по свойствам. Лиганды — молекулы, присоединенные к иону металла.

Перспективные лиганды являются своего рода антеннами: поглощают энергию при облучении светом и передают ее центральному иону металла. Однако это свойство проявляется только в координационных соединениях, то есть при наличии двух центров — металлического и органического. В качестве первого выступают лантаниды. Разумеется, не все они подходят под выбранные цели — среди них есть металлы, которые не обладают выраженными люминесцентными свойствами.

Ученые ИНХ СО РАН разработали две новые серии соединений лантанидов с лигандами — новыми производными β-енаминдиона (по пять комплексов в каждой). β-енаминдион — большой класс соединений, который включает фрагмент, содержащий две C=O-группы. Они отличаются наличием метоксигруппы, которая находится в разных положениях.

«Метоксигруппа — это группировка, которая никак не координируется с металлом, но оказывает влияние на свойства “антенны”. Они могут либо улучшаться, усиливаться, либо, наоборот, ухудшаться. Без экспериментальной проверки сказать это однозначно нельзя. Конечно, существуют различные квантово-химические методы расчетов, но они не всегда совпадают с экспериментальными данными. В нашей работе мы тоже прибегаем к расчетной химии, но потенциально перспективные соединения получаем на практике и смотрим, как наличие и положение различных функциональных групп влияет на люминесцентные свойства комплексов лантанидов. То есть какая из этих “антенн” будет работать лучше», — отмечает Елизавета Лидер.

Исследователи изучают не только свойства полученных соединений, но и их строение. Лантаниды — это металлы, которые имеют большое количество координационных возможностей. Так, ученым удалось создать полимеры, слоистые и каркасные структуры, в которых есть дополнительные полости. В перспективе эти полости можно будет заполнять молекулами-гостями и разрабатывать на их основе новые биологические применения полученных соединений.

«Для разных катионов металлов мы получаем разные люминесцентные свойства. В основном мы синтезируем комплексы европия, самария и тербия, так как именно эти соединения излучают в видимой человеческим глазом области света. При облучении ультрафиолетом первые светят красным цветом, вторые — оранжевым, третьи — зеленым. В одной серии соединений лучше всего себя проявил комплекс европия, в другой — европия и самария», — рассказывает младший научный сотрудник ИНХ СО РАН Ксения Сергеевна Смирнова. Данный тип люминесценции — это фосфоресценция, которая подразумевает длительные времена излучения, миллисекунды (с химической точки зрения это много).

«Кроме того, мы показали, что полученные соединения не являются цитотоксичными и не разрушают клетки при добавлении их к клеточным линиям в питательной среде. В дальнейшем нужно смотреть, насколько и каким образом они способны проникать сквозь мембрану клетки (это необходимо, чтобы изучать ее структуру)», — комментирует Елизавета Лидер.

В перспективе полученные комплексы можно будет использовать как в лабораторных анализах, так и в исследованиях на животных — после того, как будет изучена токсичность на живом организме.

Сейчас ученые ищут аналоги этих соединений, меняя функциональные группы лигандов, и более детально исследуют объекты, показавшие высокую перспективность. «У нас действительно есть еще очень много органических лигандов, способность к координации которых нужно проверять. Не все комплексы получаются в одних и тех же условиях, и всегда стоит сверхзадача — найти наилучшие условия для синтеза. Это достаточно трудоемкий процесс», — говорит Ксения Смирнова.

Основная часть работ проводится в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, часть физико-химических исследований — в Новосибирском государственном университете. Синтез органических соединений β-енаминдиона проходит в Кубанском государственном университете.

Исследование выполняется при финансировании Российского научного фонда: грант № 20-73-10207, руководитель Е. В. Лидер, «Поиск перспективных люминофоров и агентов для противоопухолевой терапии в ряду смешаннолигандных комплексов редкоземельных и эндогенных металлов на основе полипиридиновых, фосфиновых лигандов и производных тетразола» (конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными).

Диана Хомякова