Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В период 2021/22 года во время выполнения первого этапа работ по Проекту выполнена следующая работа и получены следующие конкретные результаты: 1. Разработана технология, подобраны и оптимизированы условия синтеза кальций-фосфатных кластеров (КФК) c размерами 2-20 нм и концентрацией в водно-спиртовых растворах в диапазоне 0,1-0,5 мг/мл; Подобраны и оптимизированы условия получения высокодисперсных растворов Са(ОН)2 для последующего синтеза массива КФК с использованием высокоскоростного перемешивания при 1500 об/мин оксида кальция с дистиллированной водой: для образования высокодисперсной смеси (СаОН)2 необходима температура смешивания 80 С, после охлаждения СаО и при скорости перемешивания 1200 об/мин и объёма дистиллированной воды 27 мл на 10 г исходного порошка СаСО3, что достаточно для получения гомогенной взвеси гидроксида кальция. В условиях поддержания температуры 37 С и с постоянным перемешиванием (1200об/мин) были получены взвеси кальций-фосфатных кластеров с концентрацией (0.04-0.1 мг/мл). Оптимизация условий выявила стабильное образование КФК при титровании раствора происходило до значения рН=8.7. Отработана методика получения монокристаллических нанопризм ГАП с характерными для зубной эмали структурой, составом и размерами нанокристаллов. -подобраны условия синтеза, позволяющие получить монокристаллические нанопризмы карбонат-замещенного гидроксиапатита с характерными для зубной эмали структурой, элементным составом, морфологическими и оптическими свойствами. Определены условия получения прекурсоров для получения нанопризм ГАП. В результате анализа показано, что изменение предобработки CaCO3 яичной скорлупы птиц, в растворах гексана и высокотемпературным отжигом (950 С – 2 ч.) с контролируемой скоростью роста темпертауры 300 град/час; последующем охлаждении в камере без активного доступа атмосферы до 600 С со скоростью 300 град/час; последующем охлаждении на атмосфере до 100 С в течении 20 минут позволяет получить однородный порошка оксида кальция необходимый для получения высокодисперсного оксида кальция и последующего получения монокристаллических нанопризм ГАП методом химического осаждения. 2. Исследования элементного состава, структуры, фазовых превращений, а также морфологических особенностей (размерах, формы и агрегации) и молекулярных свойств синтезированного биоинспирированного материала совокупностью аналитических методов; На основе анализа собственных экспериментальных данных, полученных совокупностью структурно-спектроскопических аналитических методов удалось показать, что особенности элементного состава, структуры, молекулярного строения синтезированных нами биоинспирированных композитов, имитирующих минерализованную зубную ткань, унаследованы от использованных для из создания карбонатзамещенного гидроксиапатита кальция (в большей степени) и аминокислотного коктейля. 3. Подбор аминокислотного состава и соотношения полярных аминокислот, обеспечивающих в совокупности с нанокристаллическим карбонат-замещенным гидроксиапатитом воспроизведение органоминерального состава эмали с характеристическим для природной эмали соотношением минеральной и органической компонент; На основе сравнительного анализа данных, полученных комплексом структурно-спектроскопических методов диагностики, был подобран аминокислотный состав и соотношение аминокислот: L-лизина гидрохлорида (L-LysHCl) и L-аргинина гидрохлорида (L-ArgHCl). Подобранный аминокислотный матрикс в совокупности с нанокристаллическим карбонат-замещенным гидроксиапатитом обеспечили воспроизведение органоминерального состава эмали. Анализ влияния вариации аминокислотного состава выявил возможные механизмы взаимодействия между аминокислотами и нанокристаллическим гидроксиапатитом, в зависимости от величины рН фактора раствора, из которого происходила кристаллизация биомиметических композитов n-cHAp/L-LysHCl и n-cHAp/L-ArgHCl. 4. Подбор условий для создания функциональной связи аминокислотный матрикс – ГАП при которых будет получена направленная организация кристаллов апатита на поверхности образцов нативной эмали (биотемплейтах); Обнаруженные механизмы взаимодействия n-cHAp, с характерным для апатита эмали зубов человека набором физико-химических свойств, и специфических полярных аминокислот, играют важную роль для подбора условий формирования биомиметических композитов и их интеграции с природной зубной тканью. 5. Определение биомиметического соответствия в морфологической организации, субструктуре, элементном и фазовом составе разработанных биоинспирированных материалов и анатомической основы зуба с применением структурно-спектроскопических методов; Анализ полученных нами результатов показал, что созданные для воспроизведения физико-химических характеристик биомиметические органоминеральные композиты демонстрируют хорошую имитацию (биомиметическое соответствие) не только морфологической организации, субструктуры, элементного и фазового состава, но и молекулярных, а также электронно-энергетических свойств, в т.ч. в отношении содержания карбонат аниона СO32- и атомарного Ca/P соотношения в нанокристаллах. Использование наноразмерного карбонатзамещенного гидроксиапатита для создания биоинспирированных композитов, а также понимание обнаруженных нами особенностей и механизмов его формирования в наномасштабе, позволили нам установить факт биомиметического соответствия между природной тканью и биоинспирированным композитом. 6. Подготовка 2 публикаций в рецензируемых журналах WOS/Scopus. Опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах WOS/Scopus, в т.ч. одна из них в журнале, входящем в список журналов первого квартиля Q1 (WOS/Scopus). Публикационные показатели реализации проекта за первый год его реализации перевыполнены. Cсылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту): https://nauka.tass.ru/nauka/13186587 https://rscf.ru/news/presidential-program/nebolshoe-otlichie-vo-vzaimodeystvii-kaltsiya/ http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=00ee99a2-d76b-4783-8b26-6162ce1c8c2a https://life.ru/p/1457273 https://www.gazeta.ru/science/news/2021/12/15/n_17014825.shtml

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В период 2022/23 года во время выполнения второго этапа работ по Проекту выполнена следующая работа и получены следующие конкретные результаты: 1. Отработана технология индуцированной минерализации – эпитаксиального кристаллического роста биомиметического апатитного слоя, воспроизводящего свойства нативной твердой ткани зуба человека на образцах биотемплейтов: Отработаны in-vitro методики предподготовки биотемплейтов на основе интактных слоёв эмали; Установлено, что наилучшей обработкой поверхности является последовательное применение растворов гидроксида кальция и аминокислотного бустера. Определены оптимальные условия фазовых превращений в формируемом переходном интерфейсном аморфно-кристаллическом слое на поверхности эмали (биотемплейте), приводящих к биомиметическому росту апатитоподобной структуры; Отработана технология введения комплекса органических полярных аминокислот и карбонат-замещенного гидроксиапатита в формируемый аморфно-кристаллический слой на поверхности эмали, а также его обработки с использованием органических прекурсоров для индуцирования роста биомиметического апатитоподобного слоя; Выполнен подбор оптимальных параметров, обеспечивающих контролируемую минерализацию на биотемплейтах природной эмали при температуре 37 С; 2. Определены параметры биомиметического роста, обеспечивающих возникновение устойчивых функциональных связей между сформированным биомиметическим апатитным слоем и природной твердой тканью. Экспериментально установлено, что оптимальная концентрация комплекса полифункциональных органических кислот (малеиновой, полиакриловой, лимонной) должна находится на уровне ~6%, а концентрация полярных аминокислот: аргинин - 0,2%- лизин - 0,1%, гистидин - 0,02%. Установлено, что суспензия, содержащая nano-CHAp, полученный титрованием раствора гидроксида кальция, синтезированного с использованием яичной скорлупы птиц раствором фосфорной кислоты, где значение рН конечного раствора составляет 8,5, является оптимальным раствором для проведения индуцированной минерализации. 3. Выполнена экспериментальная апробация технологии получения биомиметических минерализующих слоев на предобработанных биотемплейтах природной эмали с использованием биоинспирированной неорганической компоненты (наноразмерного карбонат-замещенного гидроксиапатита кальция, полученного методом химического осаждения из раствора и органической матрицы на основе характерного для природного эмалевого матрикса набора слабоконцентрированных предельных и непредельных полифункциональных органических кислот и полярных аминокислот; Полученные образцы исследованы с использованием комплекса структурно-спектроскопических методов анализа. Выработаны рекомендации по технологии биомиметического роста минерализующих слоев на поверхности эмали. Установлено, что получение у минерализующего слоя аналогичной иерархии и спайности, характерной для природной эмали, с учетом особенностей микро-морфологии зубной ткани, является актуальной проблемой будущих исследований. 4. Изучены механические характеристики биомиметического минерализующего апатитоподобного слоя и выполнено сопоставление их с аналогичными свойствами природной эмали. Из полученных результатов следует, что усредненная величина твердости поверхностного слоя образца здоровой эмали принимает величину HV~600, что соответствуют известным из литературы данным. При этом твердость в области эмалевых стержней практически в два раза превышала величину для межстержневой области. Для образцов, прошедших минерализацию с использованием нанокристаллического гидроксиапатита показано, что у биотемплейтов не подвергавшихся предварительной обработке значения твердости в минерализованном слое превышали аналогичные, которые характерны для здоровой эмали. Для образцов минерализованной ткани, сформированной на предварительно обработанных темплейтах с использованием щелочного раствора Са(ОН)2 и раствора полярных аминокислот, отмечена тенденция к снижению твердости минерализованного слоя в межстержневой области. При этом для образцов биотемплейтов, предобработанных с использованием щелочного раствора, значение твердости в области эмалевых стержней находилось на уровне здоровой эмали. При одновременном использовании для предобработки биотемплейта щелочного раствора и раствора полярных аминокислот твердость по Викерсу в области эмалевых стержней значительно (~15%) превосходила аналогичное значение для природной эмали. Показано, что для предобработки темплейта оптимальным является использование аминокислотного бустера. Аминокислоты обеспечивают не только связывание нанокристаллов гидроксиапатита, но и способствуют определённой морфологической организации последних. 5. Получена информация об особенностях молекулярного состава, структуре, морфологии и оптических свойствах сформированного биомиметического апатитного слоя, характере его организации, процессах и типе взаимодействия нано-кГАП/органическая матрица в зависимости от условий роста биомиметического слоя, а также их сопоставление с аналогичными свойствами природной эмали; С использованием методов оптической и атомно-силовой микроскопии на макроуровне определено, что предподготовка срезов эмали и последующая минерализация в растворе, содержащем нанокристаллический гидроксиапатит, изменяет микрорельеф поверхности эмали. Установлено что морфология поверхности образца эмали после предобработки в растворе Са(ОН)2 и последующей минерализации в растворе с nano-CHAp имеет более однородный микрорельеф с равномерным распределением осаждённого минерализованного слоя по всей рассматриваемой области. Определено, что в случае двухстадийной обработки образца эмали в щелочной среде и в аминокислотном бустере при минерализации происходит гомогенное формирование минерализованного слоя без выделенных особенностей. Поверхность сформированного слоя минерализованного слоя характеризуется отсутствием резких перепадов, а форма профиля поверхности наилучшим образом соответствует интактной эмали. Выявлено, что обработка образцов эмали в щелочном растворе приводит к образованию более однородной и гомогенной морфологии с наличием текстуры по всей поверхности образцов. Предобработка поверхности биотемплейта в щелочной среде и аминокислотном буфере приводит к образованию более крупных агломератов на поверхности ~200 нм, сращиванию нанокристаллов в агломераты ~70 нм, что вероятно является следствием обработки эмали раствором аминокислотного бустера, который, как было показано ранее в ряде работ способствует направленной агрегации нанокристаллического гидроксиапатита. Формирование минерализованных слоев подтверждено результатами полевой эмиссионной электронной микроскопии. Определено, что на поверхности здоровой эмали с характерным апризматическим поверхностным после процедуры минерализации можно зарегистрировать существование островкового типа минерализации с неявно выраженной морфологией. Выявлено, что после проведения процедуры минерализации образцов, которые были обработаны в растворе кальциевой щелочи происходит активная минерализация поверхности эмали с образованием упорядоченной морфологии нанокристаллов гидроксиапатит. С использованием данных Рамановской спектроскопии было проведено химическое дифференцирование новых биомиметических слоёв, сформированных на поверхности эмали при различной обработке поверхности. Исследования показали, что наиболее близки Рамановские профили для образцов интактной эмали и образцов с минерализованными слоями, полученными с использованием щелочного раствора Ca(OH)2 и комплекса полифункциональных органических и полярных аминокислот. 6. Подготовлены 3 публикации в рецензируемых журналах WOS/Scopus. Полученные результаты представлены на ведущих научных мероприятиях, а также обширно обсуждались в центральной Российской печати, зарубежных онлайн масс-медиа, а также в телевизионных репортажах.