Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 году во время выполнения первого этапа работ по Проекту выполнена следующая работа и получены следующие конкретные результаты: 1. Смоделированы и подобраны оптимальные условия синтеза биомиметических материалов, при которых обеспечиваются требуемые структурные, морфологические, биомеханические и оптические и свойства создаваемых образцов: - Получены оптимальные характеристики взвесей, суспензий для сопряжения гидроксиапатита с органической составляющей композитов и получения биомиметических композитов. Выявлено, что при изменении количественного соотношения аминокислот в биокомпозите с увеличением доли положительной полярной аминокислоты происходит агломерация нанокристаллического гидроксиапатита с выраженной направленной агломерацией в образцах 2. Подобран аминокислотный состав органической составляющей биомиметического материала: - В ходе проведения исследований подобран аминокислотный состав органической составляющей биомиметического материала, а c использованием техник Рамановской и ИК спектроскопии показано, что молекулярные группы подобранного аминокислотного матрикса имеют различную активность в средах с различным значением pH фактора и могут быть реперами разнообразных процессов. 3. Отработана технология введения комплекса органических полярных кислот (праймера) в структуру биомиметического композита с целью получения финального материала с устойчивой химической связью между неорганическим остовом и органическим матриксом аналогичным нативной ткани зуба. 4. Получены образцы зубной ткани у пациентов в возрасте от 18 до 45 лет, удалённых по ортодонтическим показателям. Выполнена классификация полученных образцов твердой ткани: - Подготовленные образцы зубной ткани в дальнейшем использованы как для получения собственных данных о свойствах эмали и дентина, на основе исследований комплексом структурно-спектроскопических методов анализа, так и для создания образцов, в которых разработанные нами биомиметические материалы были интегрированы с нативной тканью. 5. Подготовлены ультратонкие шлифы зубов и подготовлены данные образцы к исследованию комплексом структурно-спектроскопических методов; 6. Установлены особенности молекулярного состава и фундаментальных взаимосвязей между биомеханическими, оптическими, морфологическими характеристиками и составом/структурой в твердых тканях человеческих зубов и синтезированных биомиметических материалах: - Показано, что с использованием биомиметической стратегии и нанокристаллов карбонат-замещенного гидроксиапатита в качестве наполнителя универсального адгезива может быть достигнуто необходимое сопряжение на границе с дентином без нарушения процессов полимеризации, что должно обеспечить наилучшие показатели интеграции стоматологического композита с дентином. 7. Исследовано распределение химических элементов в биомиметических материалах и сопоставление полученных результатов с распределением в тканях зуба: - Рентгеноспектральный микрохимический анализ исследованных образцов показал, примесные атомы магния, натрия, фтора в образцах интактных зубов и введенные в состав биомиметических композитов, стабилизируют кристаллическую решётку апатита. - Показано, что в процессе синтеза биомиметических композитов с использованием биогенного источника кальция возможно получение биокомпозитов по элементному составу наиболее соответствующих эмали и дентину зубов человека. 8. Синтезированы лабораторные образцы биомиметических материалов, при различных условиях для изменения структурных и морфологических свойств, близких по характеристикам к эмали зуба 9. Получена информация о фазовом составе, структуре, морфологии и оптических свойствах биомиметических материалов, характере их организации, процессах и типе взаимодействия гидроксиапатит/органическая матрица в зависимости от условий синтеза биомиметического композита: - Методом высокоразрешающей рентгеновской микродифракции (исследования выполнены на синхротронном источнике ANKA KNMF (Карлсруэ, Германия)) определены локальные структурные изменения для образцов биомиметических композитов, характеризующихся повышенным содержанием L-лизина и L-аргинина. Установлены конформационные изменения с сохранением фазового состава биомиметических композитов, полученных при различных условиях неорганической составляющей гидроксиапатита кальция (вариации стехиометрии гидроксиапатита, дисперсности суспензий и вариации зарядового состояния аминокислот. 10. Отработаны методы активации и предобработки биокомпозитов; 11. Подготовлены публикаций в международных рецензируемых журналах WOS/Scopus: - Публикационные показатели реализации проекта за первый год его реализации ТРОЕКРАТНО перевыполнены: результаты проекта опубликованы в ведущих высокорейтинговых мультидисциплинарных журналах входящих в первый квартиль WOS/SCOPUS. Cсылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту): http://marchmontnews.com/Technology-Innovation/Central-regions/23366-Eggshell-brings-new-restorative-material-for-dental-care.html https://www.rscf.ru/news/release/plomby-k-zubam-predlozhili-krepit-kleem-iz-yaichnoy-skorlupy/ https://nauka.tass.ru/nauka/11768117 https://www.gazeta.ru/science/news/2021/06/28/n_16168472.shtml https://mir24.tv/news/16467567/rossiiskie-uchenye-sozdali-superplombu-dlya-zubov-na-osnove-yaichnoi-skorlupy

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Определены условия для создания направленной организации композита, повторяющей организацию нанокристаллов эмали зубов, в зависимости от конфигурации внешнего полевого воздействия; Выполненные экспериментальные исследования показывают, что применение разработанного нами биомиметического технологического подхода с применением внешнего полевого воздействия позволяет достаточно просто увеличить толщину восстановленного слоя. При этом воспроизведенные нами с использованием такого технологического приема эмалевые стержни имели один и тот же состав с ГАП и в достаточно большой степени унаследовали структуру и ориентацию исходной природой эмали. 2. Получены биомиметические системы, воспроизводящие свойства эмалевого матрикса или дентина, с иерархической структурой его неорганических компонент в органической матрице; Установлено, что морфологическая структура биомиметических композитов определяется состоянием и концентрацией аминокислот в матрице. При преобладающем содержании L-лизина в композитах содержащих L-аргинин, L-гистидин и гиалуроновую кислоту обнаруживается направленная агломерация нанокристаллического гидроксиапатита, с выделенным направлением роста агломератов и упорядочением нанокристаллов гидроксиапатита в них. Степень направленной организации зависит от рН среды, концентрации аминокислот в заданном интервале температур 26-36 С. Определено, что для формирования биокомпозитов интегрированных с эмалевым комплексом зубов необходима подготовка поверхности эмали и самого композита в условия повышенной щелочности в интервале от 8<рН<10. Использование высокоинтенсивного электромагнитного воздействия позволяет получить лучшие условия осаждения композита, содержащего нанокристаллический гидроксиапатит и органическую матрицу на биогенную или синтетическую подложку. 3. Исследовано строение миметической границы между интактной и восстановленной твердой тканью c использованием ИК-картирования и многомерного статистического анализа массива собранных спектральных данных; С использованием результатов ИК-картирования и анализа массива собранных спектральных данных получена химическая информация (выполнено молекулярное дифференцирование). Построены химические изображения участков поверхности с гетерограницей зубная эмаль/биомиметический композит на основе вариации интенсивности спектральных линий, отражающих распределение характеристических молекулярных групп в области интерфейса. Анализ химических изображений позволил установить для каждого типа сформированного интерфейса эмаль-стоматологический композит тип химического взаимодействия между материалами, использованными при создании интерфейса. 4. Установлены механизмы интеграции (молекулярного связывания) гибридного слоя с тканью зуба и реставрационных композитом, оценка его химического состава, структуры, толщины, и качества сформированного гибридного биоинтерфейса; Благодаря диффузии компонент кондиционера с аминокислотным бустером и модифицированного HAp адгезива в области гибридного интерфейса образуется структура, которая должна стабилизировать восстановленный кристаллический слой эмали. При этом нанокристаллы HАp способствуют когезионному армированию слоя адгезива, так как они равномерно распределяются по нему. Это ведет к усилению сцепления и улучшенной конверсии адгезивной смолы в гибридном слое, а также лучшему микромеханическому сцеплению. 5. Изучена микроструктура твердых тканей зуба после реставрации с использованием разработанных биомиметических материалов методами сканирующей, атомно-силовой и просвечивающей электронной микроскопии; В результате исследования удалось показать, что после реставрации твердых тканей зуба с использованием разработанных биомиметических материалов и аминокислотной матрицы может быть достигнуто гомогенное распределению на поверхности сформированного на их основе реставрирующего минерализованного слоя без локальных неоднородностей. На поверхности слоя не наблюдаются резких перепадов высот, что наилучшим образом соответствует морфологической организации природной эмали. Микрорельеф отреставрированной с использованием биомиметических материалов области содержит области имитирующие эмалевые стержни, а также зоны сходные с пространством между ними. При этом каждый из имитирующих эмалевых стержней состоит из группировки ориентированных нанопризм гидроксиапатита, скреплённых вместе органической матрицей. 6. Отработаны способы формирования биомиметического слоя на реставрируемой поверхности человеческого зуба; С использованием биомиметической стратегии и биоинспирированных материалов в нашей работе предложен новый технологический подход и отработаны способы формирования биомиметического слоя на реставрируемой поверхности человеческого зуба. Для этого на этапе реставрации зубной эмали используются кондиционер с аминокислотным бустером на основе набора полярных аминокислот (лизин, аргинин, гиалуроновая кислота), кальциевая щелочь и модифицированный адгезив на основе BisGMA и нанокристаллического карбонатзамещенного гидроксиапатита HAp. Разработанная технология может быть положена в основу индивидуального персонализированного подхода реставраций зубной эмали. 7. Создана модельная среда для изучения устойчивости разработанных биомиметических материалов к воздействию естественных процессов деминералиации/реминерализации, протекающих в ротовой полости человека; В результате проведённых исследований показано, что в средах с пониженным содержанием кальций-фосфатных комплексов, которые предполагают ситуацию при активных процессах множественного кариеса и деминерализации эмали, было обнаружено образование целого ряда фосфатных фаз (монетит, брушит, трикальцийфосфат, дефектный гидроксиапатит), которые приводят к повышенной растворимости, деградации и разрушению твердых тканей В тоже время результаты по определению стабильности образцов в модельных средах показывают важность исследования послоевого нанесения буферных слоёв и полученных композиционных материалов: стабильность незафиксированной системы определяется количеством проведённых операций обработки в щелочной среде – максимально при обработке полости (поверхности эмали), каждого слоя и всей системы в целом. 8. Подготовлены публикации в международных и российских рецензируемых журналах WOS/Scopus. Публикационные показатели реализации проекта за второй год его реализации ТРОЕКРАТНО перевыполнены: результаты проекта опубликованы в ведущих высокорейтинговых мультидисциплинарных журналах входящих в первый квартиль JCR Science Edition/JCR Social Sciences Edition. Cсылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту): https://www.rscf.ru/news/medicine/bioplyenki-na-bolnykh-kariesom-zubakh/?sphrase_id=130044 https://www.rscf.ru/news/release/bakterii-na-bolnykh-zubakh-snizili-effektivnost-sredstv-dlya-profilaktiki-kariesa/?sphrase_id=130044 https://www.gazeta.ru/science/news/2022/07/20/18168110.shtml https://indicator.ru/medicine/bakterii-na-bolnykh-zubakh-snizili-effektivnost-sredstv-dlya-profilaktiki-kariesa-20-07-2022.htm https://www.inpharm.ru/novosti/2022/07/21/bakterii-na-bolnyh-zubah-snizili-effektivnost-sredstv-dlya-profilaktiki-kariesa.html

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Определен адаптивный состав и молекулярные свойств биомиметического адгезива, наполненного нанокристаллическим карбонатзамещенным гидроксиапатитом и отработан новый технологический подходов реставрации эмали в рамках биомиметической концепции. Получены образцы биомиметических адгезивов с различным содержанием исходных компонент; Созданы образцы биомиметических адгезивов содержащие bisphenol-A-glycidyl methacrylate и, в качестве наполнителя, нанокристаллический карбонат-замещенный гидроксиапатит кальция со средними размерами 20х20х50 nm, что соответствует по совокупному ряду характеристик – апатиту эмали и дентина человека. Получены серии образцов с различной концентрацией нанокристаллического карбонатзамещенного гидроксиапатита в полимерной матрице биомиметического адгезива при использовании бисфенол-А-глицидилметакрилат - bisphenol-A-glycidyl methacrylate (Bis-GMA) позволившие определить адаптивный состав биомиметического адгезива. Определено, что молекулярные свойства синтезированных биомиметических адгезивов оказываются унаследованными от использованного для из создания оригинального Bis-GMA адгезива и нанокристаллического карбонатзамещенного гидроксиапатита nano-cHAp, а также обусловлены соотношением между ними в составе. 2. Выполнен анализ вариаций молекулярного состава биомиметической адгезивной системы в результате ее модификации с использованием nano-c-HAp филлера с использованием методов синхротронной инфракрасной спектроскопии в спектральном диапазоне 3800–400 см–1 при спектральным разрешением 4 см–1; Проведена обработка спектральных данных, коррекция базовой линии, усреднение, определение положения максимумов, величины интегральных площадей и разложение на компоненты спектральных профилей; Результаты анализа вариаций молекулярного состава биомиметической адгезивной системы в результате ее модификации с использованием nano-c-HAp филлера с использованием методов синхротронной инфракрасной спектроскопии в спектральном диапазоне 3800–400 см–1 при спектральным разрешении 4 см–1 показывают, что в зависимости от соотношения компонент в составе биомиметического адгезива Bis-GMA\nano-сHAp интенсивности активных колебаний в FTIR спектрах специфически изменяются, что подтверждает изменение состава материала. Наблюдаемая трансформация молекулярного состава отражается как на изменении прочности (твердости) Bis-GMA/nano-cHAp адгезива, так и на степени его превращения при фотополимеризации, более высокая величина которой снижает вероятность деградации и пластификации полимера [17]. 3. Исследована механическая и химическая адгезия, а также уровнь полимеризации биомиметических материалов на основе анализа молекулярных свойств в области гетерограницы; Проведено наноиндентирование и определение механической твердости образцов биомиметических адгезивов после их фотополимеризации с использованием метода Виккерса; Установлено, что микротвердость биомиметического адгезива Bis-GMA/nano-cHAp начинает возрастать при добавлении нанокристаллического гидроксиапатита и достигает максимума при содержании в 250 мл Bis-GMA адгезива ~0,16 g nano-сHAp. После этого наблюдается спад величины микротвердости. Нелинейное поведение зависимости значений числа твёрдости от содержания nano-сHAp является следствием изменений, которые происходят в молекулярном составе образцов. Анализ микротвердости образцов от содержания nano-c-HAp в составе биомиметического адгезива показывает, что величина микротвёрдости имеет максимум в области составов 0.125 – 0.135 g на 250 мл Bis-GMA. При этом в случае использования оригинального адгезива на основе BisGMA доля неполимеризованных связей находится на уровне 22.0±1.4%, что совпадает с аналогичным расчетом, представленным для адгезива на основе Bis-GMA/HEMA из работы. В тоже время при добавлении nano-c-HAp величина степени превращения (полимеризации) начинает возрастать, достигает своего максимума ~93%, после чего наблюдается снижение степени полимеризации. 4. Исследованы процессы реставрации/регенерации объемных участков твердой ткани с использованием биомиметических материалов комплексом структурно-спектроскопических методов, в том числе с использованием синхротронной ИК-Фурье-спектроскопии с использованием спектрометра Bruker VERTEX 80v в сочетании с ИК-Фурье-микроскопом HYPERION 3000 и узкополосным ртутно-кадмиевым теллуридным детектором, охлаждаемым жидким азотом; Базируясь на анализе данных FTIR спектроскопии и анализе усреднённых спектров кластеров идентифицирован молекулярный состав в зоне реконструкции твердой ткани зуба, предобработанной двумя различными методиками. Показано, что препарирование ткани стоматологическим лазером приводило к значительным изменениям органических компонент дентина, что влияло на адгезию к дентину. Для образцов, препарированных с использованием алмазного бора зафиксировано градиентарное изменение фазового состава от границы интерфейса в глубь твердой ткани. 5. Проведены морфологические и гистохимические исследования срезов твердой ткани зуба в том числе с отреставрированной частью на основе биомиметических материалов; 6. Апробация отработанных принципов с использованием современных стоматологических методов фиксации биокомпозитов на поверхности эмали, а также подготовка шлифов, по отработанной авторами Проекта технологии, которая даст возможность отследить вклады от предварительных методов активации и обработки биомиметических материалов. Выполнена апробация отработанных принципов с использованием современных стоматологических методов фиксации биокомпозитов на поверхности эмали. Подготовлены образцы с различным способом перпарирования зубной полости, использующимся в стоматологической практике, показана важность препарирования смазанного слоя при интеграции биокомпозитов различного состава с обработанными тканями зубной эмали/дентина. Выполнена подготовка шлифов, по отработанной авторами Проекта технологии, которая позволила определить вклад от предварительных методов активации и обработки биомиметических материалов. 7. Подготовлены публикации в международных и российских рецензируемых журналах WOS/Scopus. Публикационные показатели реализации проекта за третий год его реализации перевыполнены: результаты проекта опубликованы в ведущих высокорейтинговых мультидисциплинарных журналах входящих в первый квартиль JCR Science Edition/JCR Social Sciences Edition. Итого с учетом квартилей за весь срок проекта опубликовано 16 работ (5 работ в изданиях, входящих в первый квартиль (Q1), что превышает заявленные показатели в 1,5 раза. Международное сотрудничество в рамках выполнения Проекта: 1. Успешно осуществлён ряд работ по тематике Проекта с использованием уникальной современной научной инфраструктуры установоки класса мегасайнс – Бразильского синхротронного центра SIRIUS (Кампинас, Сан-Пауло) на инфракрасном канале IMBUA.