Наночастицы – это материал, определяющий будущее. Именно с этими микроскопическими структурами связаны изобретения молодого исследователя Кристины Юрьевны Котяковой, научного сотрудника центра «Неорганические наноматериалы» Национального исследовательского технологического университета МИСИС. Повязки для заживления хронических ран, антибактериальные покрытия и сорбенты для удаления антибиотиков из воды – столь разнообразные инновации становятся возможными благодаря исследованиям К.Ю. Котяковой и ее коллег. Объединяет все эти разработки важный компонент – наноструктуры. Как случай повлиял на изобретение нового материала исследователями МИСИС? На каких принципах основан антибактериальный эффект раневых повязок с наночастицами? Почему гексагональный нитрид бора представляет интерес как перспективное соединение и в каких областях он находит применение? Возможно ли интегрировать новые наноструктуры для очистки воды в стандартный фильтр? Как наночастицы способны помочь в предотвращении отторжения имплантатов? О новаторских разработках, их создании и потенциале применения рассказывает кандидат технических наук Кристина Юрьевна Котякова.
Кристина Юрьевна Котякова — кандидат технических наук, научный сотрудник научно-исследовательского центра «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС. Является автором трех ноу-хау и соавтором 27 научных работ. Получила стипендию Правительства РФ, персональную стипендию им. Ж.И. Алферова, а также национальную премию «Колба» для женщин в науке и технологиях в номинации «Нанотехнологии». К тому же, победила в конкурсе на получение гранта по программе «УМНИК» Фонда содействия инновациям. Регулярно принимает участие в исследованиях, финансируемых грантами Российского научного фонда, и в проектах Российского центра научной информации (ранее — Российского фонда фундаментальных исследований). Помимо гранта РНФ, исследование К.Ю. Котяковой, посвященное разработке перевязочных материалов для хронических ран, также выполняется в рамках программы академического лидерства «Приоритет-2030» (проект «Биомедицинская инженерия и биоматериаловедение»).
— Вы руководите проектом по разработке перевязочного материала с антибактериальными наночастицами и биоактивными соединениями для заживления хронических ран. Расскажите немного подробнее об этой разработке. Какие результаты уже получены и каковы планы по развитию исследований?
— Проект направлен на создание универсальных раневых повязок, которые не только подавляют инфекцию, но и ускоряют регенерацию тканей. В качестве основного компонента используется поликапролактон, дополненный наночастицами оксида меди ( CuO) и цинка (ZnO). Однако, несмотря на свои полезные характеристики и биологические свойства, поликапролактон является достаточно гидрофобным соединением (не впитывающее влагу. — Примеч. корр.). Для компенсации этого мы используем два подхода. Первый предполагает создание плазменного слоя на поверхности повязки с последующим нанесением на него биоактивных веществ. Второй – разработка многофункциональных нановолоконных материалов из поликапролактона, выполненных по принципу «ядро — оболочка». В данном случае, оболочка состоит из природного полимера коллагена, дополнительно модифицированного растительными экстрактами, такими как куркумин или алоэ вера, которые также поддерживают процесс заживления.
На данном этапе разработаны нановолокна из поликапролактона, содержащие частицы оксидов цинка и меди. Использование плазменной обработки позволило нам закрепить на повязках терапевтические препараты: бацитрацин, неомицин и хлоргексидина биглюконат. Ноу-хау по этой теме оформлено, научные статьи находятся на стадии публикации.
— Проводились ли какие-либо испытания на живых организмах, например, на животных?
— Мы уже проводили биологические исследования in vivo, изначально исследования проводились на кроликах, и полученные результаты оказались весьма обнадеживающими. В настоящее время планируется проведение дополнительного тестирования, для которого уже подготовлены образцы.
— Как реализуется антибактериальное действие частиц оксидов цинка и меди, содержащихся в повязке?
— Антибактериальное действие обусловлено рядом механизмов, которые не только сдерживают рост бактерий, но и подавляют их размножение.
— Заживляющие компоненты перевязочного материала могут высвобождаться в заданном порядке. Как это осуществляется?
— Данной теме отведено особое место в нашей работе. На текущий момент мы провели исследование кинетики высвобождения бактерицидных веществ в зависимости от их концентрации и метода обработки поверхности. Интенсивность выделения наночастиц определяется их количеством, однако после плазменной обработки материала для фиксации терапевтических препаратов высвобождение наночастиц, безусловно, снижается.
— Верно ли я понимаю, что повязки, созданные вашей командой, не нужно будет снимать и заменять, поскольку они изготовлены из биоразлагаемых материалов? И если их замена все-таки потребуется, каковы приблизительные сроки использования одной повязки?
— Разложение поликапролактона, подвергшегося плазменной обработке, может занимать до месяца. Однако скорость замены раневой повязки определяется множеством факторов, включая ее конструкцию, толщину, наличие инфекции, размер раны и индивидуальные характеристики пациента.
Клинический опыт свидетельствует о том, что раневые повязки на основе поликапролактона, дополненные различными антибактериальными компонентами, обычно сохраняют свою эффективность в период от 5 до 14 дней. Однако это время варьируется в зависимости от обстоятельств и определяется врачом.
— Какие особенности вашего проекта, связанного с перевязочными материалами, вы бы назвали наиболее отличительными или новаторскими?
— Полагаю, ключевой особенностью нашего проекта является применение разнообразных подходов к подавлению инфекций. С каждым годом все более очевидно, что развитие множественной устойчивости патогенов к антибиотикам представляет собой значительную угрозу для системы здравоохранения. Это продемонстрировала и пандемия COVID-19. Для достижения необходимого эффекта мы используем разнообразные методы антибактериального действия, включая внедрение наночастиц и использование природных экстрактов. При этом действующие вещества применяются в минимально необходимых концентрациях, чтобы избежать развития резистентности у микроорганизмов, что могло бы снизить эффективность существующих антибиотиков.
— Под вашим руководством были разработаны две новые инновации: нанопокрытия, эффективно уничтожающие более чем 99% бактерий и грибков, и сорбент для очистки воды от антибиотиков. Объединяют эти разработки наночастицы гексагонального нитрида бора. Расскажите, пожалуйста, чем интересен этот материал и какую роль он играет в обеих структурах.
— Гексагональный нитрид бора — перспективный материал, демонстрирующий широкий спектр физических, химических и биологических характеристик, что открывает возможности для его применения в различных сферах науки и техники. В целом гексагональному нитриду бора в последнее время уделяется очень много внимания, потому что у него весьма обширный спектр положительных характеристик. Так, этот материал имеет достаточно высокую сорбционную емкость, поэтому очень перспективны исследования, посвященные его применению в качестве носителя различных препаратов, например, для доставки лекарства в зону опухоли. Гексагональный нитрид бора также используется для бор-нейтронозахватной терапии и в качестве упрочняющих материалов для запчастей в машиностроении.
В нашем центре создаются разнообразные наноструктуры, используя гексагональный нитрид бора. Возможна получение частиц с гладкой или развитой поверхностью, а также полых структур с толстыми или тонкими стенками. В рамках моей диссертационной работы были разработаны уникальные сферические наночастицы на основе гексагонального нитрида бора. Они состоят из нанолистов в своей сердцевине и покрыты множеством наноиголок размером от пяти до 15 атомных слоев. Благодаря такой инновационной структуре, эти частицы нашли применение как в биологических исследованиях, так и в роли сорбента для антибиотиков.
Пояснение К.Ю. Котяковой к иллюстрации
Представлены изображения шести различных типов сферических наночастиц оксинитрида бора (BNO-NP), полученные с использованием светлопольного просвечивающего электронного микроскопа:
a) твердые частицы, похожие на луковицу, с гладкими поверхностями (тип I);
b) твердые частицы, похожие на помпон (тип II);
c) полые тонкослойные частицы с гладкими поверхностями (тип III);
d) полые тонкослойные частицы с лепестковыми поверхностями (тип IV);
e) полые толстослойные частицы с гладкими поверхностями (тип V);
f) полые толстослойные частицы с лепестковыми поверхностями (тип VI).
— С помощью каких технологий удаётся получать частицы подобной формы?
— Наночастицы гексагонального нитрида бора получают различными методами, в зависимости от желаемой формы, однако наиболее часто используется химическое осаждение из газовой фазы. В нашей лаборатории имеется необходимое оборудование для этого процесса: наноструктуры синтезируются с использованием вертикального или горизонтального реактора, выбор которого определяется требуемым результатом. На конечное качество также влияет скорость потоков газа и прекурсора (редакторское примечание: речь идет о компоненте, необходимом для синтеза желаемого продукта.) — они оказывают влияние не только на структуру, но и на размеры составляющих элементов, что имеет большое значение при использовании в биологии.
Изначально, при работе с наноигольчатыми частицами с развитой поверхностью, их появление было частично случайным: в ходе эксперимента я изменила параметры газовых потоков, нажав на не те кнопки на установке. Первоначально полученные частицы также имели пластинчатую структуру, но их поверхность была менее развита. Тем не менее, мы посчитали целесообразным уделить внимание и этим структурам. Впоследствии, путем варьирования скорости потоков газа и давления, была разработана технология получения наноигольчатых наночастиц, которые мы называем «милыми ежиками». Эти наночастицы помогают нам не только бороться с бактериями, но и очищать воду.
— Удивительное открытие.
— Да, и это было совершенно неожиданно. Я думаю, что все открытия происходят подобным образом.
— Безусловно, это лучшие решения! Пожалуйста, расскажите подробнее о ваших антибактериальных покрытиях и фильтрах для очистки воды. Какова их конструкция и каков порядок проведения испытаний?
— Начну, пожалуй, с биологического применения, поскольку оно представляется наиболее увлекательным. Впервые мы выявили у структур гексагонального нитрида бора механизм подавления бактериальной активности, основанный на физическом разрушении. С использованием просвечивающего электронного микроскопа (который обеспечивает большее увеличение по сравнению со сканирующим) мы продемонстрировали с высокой точностью, что наноиглы, формирующиеся на поверхности наночастиц, способны повреждать структуру мембран бактерий, что приводит к их гибели. Примечательно, что антибактериальный эффект, проявляемый такими «чистыми» наночастицами, не содержащими лекарственных веществ, оказался сравнимым с действием антибиотика. Так, применение гентамицина в минимальной ингибирующей концентрации позволяет добиться аналогичных результатов, как и наше покрытие.
Пояснение К.Ю. Котяковой к иллюстрации
Для определения способа взаимодействия клеток и поверхности BN был проведен подробный ПЭM-анализ поверхности раздела между ними. На рис. 1а показан фрагмент покрытия BN. Клетки E. coli в контрольном образце (без покрытия BN), осажденные на углеродной сетке (рис. 1б), демонстрируют темный однородный контраст внутри и отчетливо выделяемую прозрачную клеточную мембрану. Микрофотографии ПЭМ показывают клетки E. coli, находящиеся в непосредственном контакте с участками покрытия. Наблюдается, что острые наноструктуры поверхности BN неким образом повреждают клеточную мембрану и проникают внутрь клеток (рис. 1в, г, д). Поврежденные участки клеток имеют характерный яркий контраст на темном фоне (рис. 1в). Таким образом, можно предположить, что при контакте бактерий с поверхностью покрытия BN их мембраны могут быть повреждены. Это приводит к потере целостности клеток и изменению контраста изображения. Мертвая клетка имеет яркий контраст (рис. 1е). Недавно было высказано предположение, что гибель клеток может происходить из-за способности вертикально ориентированных углеродных нанотрубок накапливать и выделять упругую энергию при деформации, когда они контактируют с прикрепляющимися клетками. Выступающие из покрытия наноструктуры BN соприкасаются с поверхностью клетки под разными углами и могут дополнительно отклоняться при прикреплении бактерий. Результаты анализа ПЭМ-изображений свидетельствуют о том, что мембраны клеток E. coli повреждаются наноструктурированной поверхностью BN, зависит от нескольких факторов, что приводит к гибели клеток. Скорость инактивации бактерий поверхностными наноэлементами определяется рядом факторов BN сравнима с терапевтическим эффектом гентамицина при его минимальной ингибирующей концентрации.
У наночастиц гексагонального нитрида бора, как я ранее отмечала, наблюдается очень высокая сорбционная емкость. Кроме того, нами было установлено, что этот материал сохраняет это свойство при различных конфигурациях. В ходе испытаний мы производили опытные образцы в форме таблеток небольшого размера, а также наносили наночастицы на пластины в качестве покрытий. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в обоих случаях новые наноструктуры обладают широким спектром потенциальных применений и позволяют эффективно очищать среду от различных терапевтических препаратов.
Обе разработки представляются весьма перспективными с экологической точки зрения. С одной стороны, они способствуют снижению загрязнения окружающей среды антибиотиками, а с другой — помогают лекарственным препаратам бороться с болезнетворными микроорганизмами.
— Как возникли идеи, лежащие в основе этих двух ноу-хау?
— Я уже рассказывала о способе получения наночастиц. Затем мы приступили к изучению их антибактериальной активности, тестируя комбинации частиц с противогрибковыми и антибактериальными препаратами, определяя минимальную ингибирующую концентрацию лекарственных средств. В процессе исследований мы выявили высокую сорбционную емкость у гексагонального нитрида бора, что и послужило отправной точкой для идеи использования этого материала в качестве сорбента?
Данное исследование проводилось в рамках проекта при финансовой поддержке Российского научного фонда. Наша команда осуществила всесторонний анализ поставленной задачи: теоретическая группа выполняла предварительные расчеты, демонстрирующие работоспособность технологии, а я подтверждала это экспериментально.
— Каково текущее состояние этих двух проектов? Возможно, они уже прошли тестирование или нашли постоянное применение в реальной деятельности?
— Путь к практическому применению всегда сложен. Однако, на сегодняшний день у нас уже есть коммерческие партнеры в обеих рассматриваемых областях. Это значимо, так как работа на практике принципиально отличается от лабораторных исследований.
В настоящее время мы реализуем еще один научный проект, связанный с сорбентами. Для проведения дополнительных исследований, которые являются частью этого проекта, требуется финансирование. Наши коммерческие партнеры оказывают практическую помощь в подборе оптимальной конфигурации сорбента, что позволит успешно интегрировать его в существующие индивидуальные фильтры для очистки воды.
Мы последовательно продвигаемся к поставленной цели, и я рассчитываю, что в скором времени мы достигнем коммерческого внедрения наших разработок.
— По моему пониманию, антибактериальные покрытия и сорбент обладают широким спектром применения. Не могли бы вы рассказать о них более детально?
— Антибактериальные покрытия находят применение в различных областях. В частности, исследования демонстрируют, что нанесение наночастиц нитрида бора на биорезорбируемые кальций-фосфатные имплантаты оказывает благотворное воздействие. Данная технология представляется весьма перспективной, поскольку, по имеющимся у меня сведениям, инфекции являются причиной отторжения имплантатов примерно в 10% случаев, что требует проведения повторной операции по замене. Это не только негативно сказывается на состоянии здоровья пациента, но и является неэффективным с экономической точки зрения. Наночастицы могут быть использованы для обработки различных поверхностей в медицинских учреждениях.
В отношении сорбентов, их применение целесообразно, в частности, на очистных сооружениях. Это способствует защите окружающей среды, поскольку загрязнение воды антибиотиками негативно сказывается на флоре и фауне, а также приводит к развитию множественной лекарственной устойчивости. Однако, на мой взгляд, сорбенты эффективнее применять в составе индивидуальных систем фильтрации воды, поскольку, по имеющимся у меня данным, данная технология пока не получила широкого распространения. Это создает определенную проблему, учитывая, что мы потребляем воду, содержащую лекарственные препараты. Насколько мне известно, на сегодняшний день на рынке представлен лишь один фильтр, утверждающий о способности адсорбировать антибиотики. Но, согласно исследованию, на которое ссылаются разработчики, оказалось, что тестирование проводилось всего на одном препарате, и очистка была проведена не в полной мере. Поэтому я убеждена, что наша технология обладает значительным потенциалом и с точки зрения коммерческого сотрудничества. Мы рады предложить предпринимателям партнерство, и, на мой взгляд, это крайне необходимое ноу-хау. Если бы я располагала информацией о подобной технологии и была бы уверена в ее эффективности, я бы немедленно приобрела такой фильтр.
— Каковы сложности, связанные с изготовлением фильтров и сорбентов с использованием вашей новой технологии?
— Наше исследование отличается тем, что мы не модифицируем сам фильтрующий элемент. Вместо этого мы предлагаем создать поверхностную мембрану на основе наночастиц гексагонального нитрида бора, которую можно установить поверх существующего фильтра. На текущий момент в фильтрах, насколько мне известно, применяются мембраны из оксида титана ( ТiО2). Существует альтернативный подход: включить наночастицы гексагонального нитрида бора в сорбирующий слой фильтра, который традиционно формируется из активированного угля или аналогичных материалов. Ни одно из этих решений не предполагает изменения конструкции фильтра, что является значительным преимуществом. Разумеется, создание наночастиц в домашних условиях потребует разработки специального дополнительного устройства, однако в целом их производство вполне возможно в промышленных масштабах. Владение технологией изготовления конкретной модификации наночастиц делает практическую реализацию этого процесса относительно несложной.
— Какова сложность нанесения антибактериальных покрытий? Какие технологии применяются для их нанесения?
— Технология довольно проста: требуется нанести на поверхность тонкий слой суспензии аморфного бора в воде, после чего обработать газовыми потоками при заданных параметрах. В процессе химического взаимодействия, происходящего на поверхности, формируются наночастицы гексагонального нитрида бора с большой площадью поверхности. Остальные компоненты удаляются вместе с потоками газа.
— Какие размеры частиц обычно применяются в ваших исследованиях?
— Большинство наночастиц имеют размер от 90 до 110 нм. Это делает наш материал подходящим для биологических исследований, где размер частиц не должен превышать 100 нм. Кроме того, благодаря высокой удельной поверхности, наночастицы демонстрируют значительную сорбционную емкость.
— С какими организациями у вас налажено сотрудничество при проведении исследований?
— Подобные организации весьма распространены. В частности, в рамках программы «Приоритет-2030» мы взаимодействуем с коммерческими консорциумами. Чаще всего это биологические исследовательские группы, созданные при участии различных предприятий. Также мы поддерживаем взаимодействие с компаниями, занимающимися реализацией раневых повязок, и недавно получили от одной из них новые предложения.
В отношении фильтров ситуация представляется более затруднительной, поскольку на рынке не так много отечественных производителей индивидуальных решений для очистки воды. Тем не менее, мы располагаем информацией о нескольких предприятиях, с которыми надеемся наладить сотрудничество в будущем.
— Кроме того, вы принимаете участие в научно-исследовательских работах, выполняемых по государственному заказу, целью которых является разработка металломатричных композиционных материалов, усиленных наноструктурами. Какие материалы являются объектом ваших исследований? В каких областях планируется их применение? Какие результаты уже достигнуты и какие работы необходимо выполнить в дальнейшем?
— Это уже отдельный проект, над которым работает специализированная группа наших ученых. Помимо этого, мы изучаем гексагональный нитрид бора, усиленный различными интерметаллидными фазами на основе алюминия и других элементов. Данная технология позволяет создавать материалы с повышенной прочностью для использования в различных секторах, в частности, в машиностроении. В настоящее время мы также сотрудничаем с партнерами в этой сфере.
— Каков размер вашей команды? Сколько сотрудников задействовано в работе над проектами?
— Каждое из рассмотренных исследований выполняется отдельной командой, так как это сложные и многозадачные проекты. В работе над ними задействовано около пяти-шести специалистов, каждый из которых несет ответственность за определенные задачи. Для успешной реализации всех проектов требуется значительное количество сотрудников.
— Какие области исследований представляются вам наиболее перспективными в будущем? Есть ли у вас предварительные идеи или разработки, которые вы хотели бы реализовать?
— Идей возникает очень много, и мы фиксируем их, ведь наш университет предоставляет возможность воплощать самые смелые задумки. С появлением каждого нового студента запускается новый проект. В настоящее время у нас скопилось множество планов, и когда в сентябре в вуз прибудут новые студенты, мы приступим к реализации всех задуманных исследований.
Сейчас необходимо сосредоточиться на продвижении существующих разработок. Цель – установить коммерческие партнерства и внедрить созданные технологии, чтобы они начали приносить ощутимую пользу обществу. Завершить проект и продемонстрировать его эффективность – это одно, а поиск инноваций для их дальнейшего применения в современных условиях, безусловно, представляет собой более сложную задачу. Надеюсь, что у нас все получится.
Интервью было осуществлено при содействии Министерства науки и высшего образования РФ
Иллюстрации на странице взяты из источников: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия», предоставлены К.Ю. Котяковой.