Научная работа

2016

 

  1. Разработан подход к формированию биосовместимых структур на основе разветвленных полимеров методами 2х фотонной микростереолитографии (ФМ) и поверхностного селективного лазерного спекания (ПСЛС) и проведен сравнительный анализ in vitro особенностей адгезии и дифференцировки стволовых клеток человека на таких скаффолдах, с точки зрения потенциального использования структур при остеозамещении. Было показано, что именно структуры полученные методом ФМ in vitro инициируют остеогенную дифференцировку адипозных стволовых клеток. Полученные 3х мерные структуры из новых фотополимеризующихся композиций методами ФМ и ПСЛС являются биосовместимыми и не вызывают цитотоксических реакций.  Показано, что сформированные методом ПСЛС структуры на 20-й день культивирования стволовых клеток представляют собой структуры, заполненные жизнеспособными клетками. Показано, что ПСЛС скаффолды близки по биомеханике (значению модуля Юнга) к костной ткани, а именно 6,4 ГПа. Такие структуры могут быть перспективными при разработке пациентспецифических замещающих имплантов. При определении матриксных свойств скаффолдов полученных методом ФМ показано, что жировые клетки человека на 8 и 12 неделе имеют значительный процент минерализации (до 66 %), что свидетельствует об изменении их цитоскелета.  Выбранные методы  обеспечивают формирование структур c локальными значениями модуля Юнга более 4 ГПа без введения дополнительных наполнителей, благодаря высокой степени конверсии двойных связей полимера, обеспечившей формирование высокосшитых структур с высоким пространственным разрешением.
  2. Разработан метод лазерного переноса микропорций почвы (лазерный микросамплинг (ЛМС)) для культивации микроорганизмов на питательных средах с целью  достижения их пространственного разделения при минимальном разрушении микроагрегатов, позволяющий  устранить ряд причин некультивируемости. Был разработан и создан прототип установки для ЛСМ, разработан протокол переноса почвенных микролокусов. Исследовано влияние различных режимов лазерного  переноса на рост микроорганизмов. На основе испытания на черноземной почве показано, что метод ЛМС  позволяет переносить почвенные частицы с сохранением жизнеспособности микробных клеток.
    Установлено, что видовое разнообразие культивируемых бактерий при посеве на твердую агаризованную среду после ЛМС существенно увеличивается, особенно за счет грамотрицательных микроорганизмов. Кроме того,  методом ЛМС выделены рода бактерий, которые не удалось идентифицировать примененными методами идентификации. Их родовая идентификация требует генетических методов, что, возможно, приведет к выявлению новых родов грамотрицательных бактерий. Установлено снижение функционального биоразнообразия при ЛМС, что демонстрируют сепарирующую способность метода.
  3. Созданы экспериментальные установки для лазерной абляции металлов в жидкости и сверхкритическом диоксиде углерода. Методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой проведено сравнительное исследование изменения содержания изотопов ряда примесных элементов в образце никеля (10 различных элементов с содержанием в никеле  от 10-1 до 10-5%) после лазерной абляции этого образца в воде (продуктами абляции являются наночастицы никеля). Показано, что процесс лазерной абляции в жидкости незначительно влияет (или не оказывает никакого влияния) на соотношения изотопов для ряда примесных элементов (B, Mg, Ti, Cu, Zn, Zr). В то же время, для нескольких элементов (Fe, Cr, Ga, Ba), процесс лазерной абляции вызывает существенные изменения изотопных соотношений. Особенно сильное изменение изотопного соотношения (более чем в 15 раз) наблюдается для изотопов галлий-69 и галлий-71. Установлено, что для ряда элементов с существенно различными атомными массами m от 10 Da (для B) до 90 Da (для Zr) относительное содержание их изотопов не меняется, а это означает, что кинетические изотопные эффекты  не происходят в результате лазерной абляции. Сделан вывод, что наблюдаемые изменения изотопных соотношений для нескольких примесных элементов (особенно Ga) в Ni могут указывать на возможность низкоэнергетических ядерных реакций, инициированных процессом лазерной абляции никеля в водной среде.
  4. Синтезированы кристаллические наноразмерные фосфоры b-NaYF4 с ядром, легированным редкоземельными ионами Yb3+, Er3+ и оболочкой из нелегированного b-NaYF4 (структура активная сердцевина – инертная оболочка). Показано, что нанофосфоры b-NaYF4/Yb3+/Er3+ обладают интенсивной фотолюминесценцией (ФЛ) в телекоммуникационном С – диапазоне длин волн при накачке излучением диодного лазера с длиной волны 975 нм. Ширина спектра ФЛ по полувысоте составляет 73 нм, что потенциально позволяет усиливать оптические сигналы во всем С – диапазоне от 1530 до 1565 нм. Коэффициент конверсии составил 4 – 5%. Разработаны методы введения нанофосфоров в полимерную матрицу в высокой концентрации (10 – 12%), не приводящие к агломерации наночастиц. Это позволило создать композитные полимерные материалы, пригодные для формирования полимерных волноводов. Проведено численное моделирование и оптимизированы параметры волноводов, обеспечивающие одномодовый режим распространения света с длиной волны 1530 – 1565 нм. Методом контактной фотолитографии изготовлены массивы одномодовых полимерных волноводов с внедренными нанофосфорами на кремниевой подложке для С – диапазона длин волн. Волноводы имеют ширину и высоту 8 мкм и числовую апертуру NA = 0.13.  Максимальный коэффициент усиления в полимерном волноводе с внедренными нанофосфорами β-NaYF4:Yb3+:Er3+ на длине волны 1532 нм составил 3.5 дБ/см  при мощности накачки 200 мВт.
  5. Созданы чернила на основе апконвертирующих люминесцентных наночастиц, пригодные для быстрого нанесения меток антиконтрафактной защиты с применением стандартных печатающих устройств. Чернила для струйной печати представляют собой водную дисперсию нанофосфоров NaYF4:YbTm/NaYF4 со структурой ядро/оболочка в концентрации 0.5 мг/мл. Поверхность наночастиц модифицирована амфифильными полимерами, что препятствует их агломерации. Экспериментально продемонстрировано, что чернила на основе апконвертирующих нанофосфоров остаются стабильными на протяжении, по крайней мере, 2 месяцев. Установлено, что скорость нанесения рисунка с использованием созданных чернил в несколько раз выше, чем для аэрозольных струйных принтеров. Продемонстрировано, что дополнительная модальность защиты может быть получена кодированием спектров и интенсивности антистоксовой люминесценции при комбинировании легирующих лантанидов в наночастицах. Применение наночастиц с модифицированной поверхностью и использование в качестве растворителя воды делают такие чернила нетоксичными и абсолютно безопасными в использовании, что было продемонстрировано на первичной культуре фибробластов человека и клеточных линиях SKBR-3 и CHO. С использованием созданных чернил сгенерированы QR-код (Quick Response) и напечатано графическое изображение храма Василия Блаженного. На этих примерах продемонстрировано, что полученные с использованием апконвертирующих наночастиц изображения имеют высокое разрешение и являются высококонтрастными.

(a) Схема процесса формирования скаффолда: (1) — предметное стекло, (2) — силиконовый спейсер, в котором размещалась фоточуствительная композиция, облучающаяся лазером (3),  через покровное стекло (4), в результате чего формировался скаффолд (5); (b) 3D модель структуры двухслойного скаффолда на основе которой формировались образцы сшитого гидрогеля; (c) микрофотография однослойного скаффолда после отмывки от несшитого материала в дихлорметане, для улучшения контраста фотографии образец был окрашен бенгальским розовым (Acros Organics)

Напечатанные апконвертирующими чернилами графическое изображение (а) и QR-code (б), а также QR-код, напечатанный стандартными чернилами (в).

2015

 

  1. Методом фемтосекундной лазерной микростереолитографии на уникальном лазерном комплексе ИПЛИТ РАН созданы и протестированы новые 3-х мерные матрицы носители (скаффолды) для нейротрансплантации. Показано, что биорезорбируемые скаффолды, созданные на основе хитозана методом фемтосекундной лазерной микро-стереолитографии обладают высокой биосовместимостью в клеткам головного мозга и низкой иммуногенностью, что позволяет рассматривать данные конструкты как материал, который может быть использован в реконструктивной хирургии.
  2. Предложен и реализован принципиально новый способ формирования матричных структур из алифатических полиэфиров методом трехмерной экструзионной печати, позволяющий формировать не обладающие цитотоксичностью трехмерные матриксы заданной формы, размеров и структуры на основе трехмерных компьютерных моделей для инженерии мягких и твердых тканей.
  3. Разработана методика создания сосудистого русла на основе пэгилированных фибриновых гелей, инкапсулированных стволовыми клетками, полученными из жировой ткани человека (hASCs) и пупочной вены HUVECs. Данная методика может стать уникальной экспериментальной платформой для тканевой сосудистой инженерии и доставке лекарственных средств.
  4. Проведены исследования процессов лазерно-индуцированного травления задней поверхности прозрачного образца в жидкости (ЛИТЖ) на границе с сильно-поглощающим водным раствором красителя. Установлено, что хорошо контролируемый, «мягкий» режим обработки оптических материалов, основанный на химическом травлении в сверхкритическом флюиде (в частности, сверхкритической воде) является наиболее приемлемым при использовании метода ЛИТЖ в реальной технологии структурирования оптических материалов.
  5. Проведена оптимизация разработанных SERS подложек на основе углеродных наностенок с нанесенной на них сплошной пленкой серебра. Изучены возможности минимизации предела детектирования в зависимости от толщины серебряного покрытия, морфологии углеродных наностенок, введения дополнительного слоя диоксида кремния. Показано, что созданные SERS подложки обладают сильным сродством к ароматическим соединениям, что открывает пути для использования подобных SERS подложек в высокочувствительной биомедицинской диагностике.
  6. Синтезирован полимер из гомологического ряда полибензимидазолов — поли-2,2’-п-оксидифенилен-5,5’-бис-бензимидазол (ОПБИ). Методом жидкостной импрегнации получены образцы ОПБИ с введенными в матрицу полимера молекулами Ag(fod). В результате отжига импрегнированных пленок ОПБИ получены новые композиционные материалы, содержащие наночастицы серебра размером до нескольких сотен нм, с полосой плазмонного поглощения в области 450 нм.
  7. Разработан метод создания новых композитных материалов для терагерцового (ТГц) диапазона частот с управляемым показателем преломления за счёт введения в полимер-термопласт частиц полупроводниковых материалов. Методом импульсной ТГц спектроскопии исследованы оптические свойства композитных полимерных материалов, импрегнированных нано- и микрочастицами кремния. Продемонстрирован прозрачный композитный материал с показателем преломления n = 2.2 для диапазона частот 0.1 — 3 ТГц. Из этого материала, методом штамповки изготовлена собирающая линза. Использование линзы позволило в пять раз увеличить сбор ТГц излучения из фотопроводящей антенны. Изготовлены микроструктурные световедущие волокна для ТГц диапазона частот.
  8. Разработаны методы численного расчета распространения электромагнитного излучения в фотонно – кристаллических и фотонно — плазмонных световедущих структурах. Предложен дизайн фотонно – кристаллического волновода, основанный на микроструктурировании световедущей жилы и оболочки путем создания в них воздушных каналов субволнового размера. Показано, что локализация электромагнитного поля внутри воздушных каналов приводит к уменьшению коэффициента затухания на 20% по сравнению с бесструктурным волноводом. Предложен новый дизайн волноводов с плазмонным механизмом удержания электромагнитного поля. Разработанные световедущие структуры могут найти применение при создании различных ТГц приборов и интегрально-оптических устройств с терагерцовой частотой передачи данных.
  9. Экспериментально продемонстрировано, что с использованием нанокомпозитных полимерных материалов можно создавать интегрально – оптические волноводные усилители для телекоммуникационного С – диапазона длин волн. Продемонстрировано усиление на уровне 1.4 дБ/см в одномодовом полимерном волноводе с внедренными нанокристаллами b-NaYF4/Yb3+/Er3+. Проведенные теоретически оценки показывают, что путем оптимизации состава нанокристаллической матрицы можно увеличить коэффициент усиления до 10 – 20 дБ/см, что соответствует потребностям современной интегральной оптики.
  10. Разработаны и созданы способные к УФ фотополимеризации композиции на основе фтор- и хлорсодержащих акрилатов, обладающие коэффициентом поглощения 0.1 – 0.2 дБ/см в телекоммуникационном С – диапазоне вблизи 1.5 мкм. Композиции обладают высокой активностью в процессе радикальной полимеризации и могут быть использованы для формирования различных элементов интегральной оптики. Экспериментально показано, что с использованием методов контактной УФ фотолитографии и прямого лазерного рисования можно формировать многомодовые и одномодовые полимерные волноводы на различных подложках, включая, кремниевые пластины, гибкие пластиковые подложки, а также печатные платы. Изготовлен массив полимерных волноводов, расположенных в двух слоях стандартной печатной платы FR4.
  11. Показана возможность управления оптическими свойствами нанокомпозитных полимерных материалов при воздействии на них сверхкороткими лазерными импульсами, в частности, для управления фотолюминесцентными свойствами волноводов с внедренными нанофосфорами в видимой области спектра, а также рефракцией волноводов в ТГц диапазоне частот.
  12. Показаны перспективы применения апконвертирующих наночастиц для высококонтрастной фотолюминесцентной визуализации злокачественных опухолей. Синтезированы апконвертирующие наночастицы с размером 70-80 нм, со структурой ядро/оболочка NaYF4:Yb3+:Tm3+/NaYF4. Реализована методика покрытия наночастиц биосовместимой полимерной оболочкой, которая обеспечивает длительное (~1 час) время циркуляции НАФ в кровотоке малых животных и их эффективное накопление в опухолевых тканях. Изучена цитотоксичность полученных НАФ(Tm3+)-РМАО при краткосрочной и долгосрочной инкубации в культурах клеток. На модели эпидермоидной карциномы легкого Льюиса, перевитой мышам, продемонстрирована прижизненная доставка апконвертирующих наночастиц в опухоль за счет пассивного EPR-эффекта.
  13. Установлено, что наиболее эффективным, положительным воздействием на формирование костномозговых трансплантатов было сочетанное воздействие КВЧ+АЛИГ. Это свидетельствует о возможности при применении этих физических воздействий ускорения процесса реабилитации.

 

2014

 

  1. Разработана оригинальная синтетическая стратегия и проведен синтез новых фотополимеризующихся биорезорбируемых (со)полимеров на основе сложных циклических эфиров (e-капролактон и другие лактоны, D,L- и L-лактид) с контролируемым составом и распределением звеньев сополимера по цепи (статистический, градиентный, блок-сополимер). Сформированы 3х мерные биодергадируемые структуры-скаффолды, которые в дальнейшем могут быть использованы для заместительной терапии и регенерации различных тканей и органов.
  2. Разработана методология твердофазного синтеза производных и привитых сополимеров хитозана путем воздействия давления и сдвиговых напряжений на твердые реакционные смеси хитозана с органическими мономерами и полимерами. Получены новые материалы на основе биополимера- хитозана. Методом 2х фотонной фотополимеризации получены скаффолды из звездообразных полимеров на основе алифатических эфиров и сополимеров хитозана.
  3. Проведен сравнительный анализ возможностей и ограничений методов быстрого прототипирования, используемых для формирования биосовместимых матриц, и на основе наших экспериментальных результатов показано, что наибольшим потенциалом применения для формирования матриц-носителей (скаффолдов) для тканевой инженерии  обладают методы трехмерного принтинга и селективного лазерного спекания.
  4. Разработан метод трехмерной струйной печати мелкодисперсных гранул трикальцийфосфата с использованием в качестве связующего вещества водного раствора солей ортофосфорной кислоты, позволяющий получать остеокондуктивные керамические матриксы заданной формы, размеров и структуры для замещения костных дефектов и направленной регенерации костной ткани на основе 3D компьютерных моделей.
  5. Разработан вариант метода поверхностного селективного лазерного спекания (ПСЛС), позволяющий получать минерал-полимерные материалы на основе фосфатов кальция и алифатических полиэфиров и изготавливать из них трехмерные матриксы заданной архитектоники для замещения костных дефектов и направленной регенерации костной ткани.
  6. Разработан и создан уникальный экспериментальный комплекс для комбинированного формирования трехмерных многоуровневых структур, в котором процесс фемтосекундной лазерной стереолитографии в полимерных и пористых образцах осуществляется неосредственно в сверкритическом флюидном реакторе.
  7. Показана возможность: создания термостабильных композитных полимеров с использованием лазерных и сверхкритических флюидных технологий; создания упорядоченных структур на основе наночастиц благородных металлов в матрице полимера, которые могут в дальнейшем использоваться для создания сенсорных и оптоэлектронных устройств.
  8. Методом СКФ импрегнации получены люминесцентные порошкообразные нанокомпозиты на основе квантовых точек (КТ) CdSe:  CdSe/ПТФЭ и CdSe/ПЭНП. Изучены термо- и фото-стимулированные процессы в таких композитах, позволяющие управлять спектрами их фотолюминесценции.
  9. Обнаружены и исследованы процессы самосборки наночастиц и самоорганизации различного типа структур из наночастиц в полимере (периодические, слоистые, кольцевые микроструктуры) в поле лазерного излучения,  представляющие значительный интерес для современной фотоники, плазмоники, сенсорики, фотовольтаики, биомедицины, и др.
  10. Изучен процесс лазерного формирования микроканалов, обладающих волноводными свойствами, в пористом стекле и показано, что порог пробоя пористого стекла в условиях жесткой фокусировки фемтосекундного лазерного излучения совпадает со значением порога для плотного кварцевого стекла в тех же условиях.
  11. Изучены механизмы процессов фотолиза молекул AgFOD, ErFOD и EuFOD в матрице  пористого стекла Vycor под действием лазерного излучения фемтосекундной и наносекундной длительности. При фотолизе AgFOD получены наночастицы серебра, выявляемые по спектру их плазмонного резонанса и СЭМ изображениям.
  12. Методом импульсной лазерной абляции получены СКФ коллоиды серебра и с помощью in situ спектроскопической диагностики исследована динамика  процесса формирования и распада СКФ коллоидов, вызванного гравитационной седиментацией наночастиц  Ag.   Показано, что  изменение плотности СКФ изменяет динамику формирования и распада СКФ коллоида Ag, а также размер и форму наночастиц в СКФ коллоиде.
  13. Обнаружен эффект лазерно-индуцированного гидродинамического образования (самоорганизации) устойчивых жидких филаментов из наночастиц Ag. Этот эффект обусловлен образованием  жидкого оптического волокна в условиях конвективного движения жидкости, вызванного лазерным нагревом.
  14. Показано, что водорастворимые наночастицы CdTe размером в несколько нанометров, что меньше боровского радиуса могут захватываться поверхностью микропузырьков, образованных сфокусированным непрерывным лазерным излучением в растворе наночастиц. Механизм такого захвата связан с лазерно-индуцированной конвекцией Марангони, которая возникает в области пузырька при наличии градиента температуры на его поверхности.
  15. Изучены механизмы процессов фотолиза молекул AgFOD, ErFOD и EuFOD в матрице  пористого стекла Vycor под действием лазерного излучения фемтосекундной и наносекундной длительности. При фотолизе AgFOD получены наночастицы серебра, выявляемые по спектру их плазмонного резонанса и СЭМ изображениям.
  16. Разработана теоретическая модель нового метода зондовой визуализации апконвертирующих нанофосфоров (ЗВАН) в рассеивающей среде (полимеры, биоткани). Показано, что латеральное разрешение метода ЗВАН с использования люминесцентных маркеров с квадратичной нелинейностью превышает в 1.81 раза латеральное разрешение известного метода фотодиффузионой оптической томографии (ФДОТ).
  17. Показана возможность создания полимерных микроструктур с использованием ИК лазерно-индуцированной фотополимеризации композиций, содержащих наноразмерные апконвертирующие фосфоры, легированные редкоземельными элементами.

 

2013

 

  1. Создан комплекс по фемтосекундной лазерной микро-стереолитографии многоуровневых структур из полимер-композитных материалов, необходимых для создания перспективных элементов современного биомедицинского материаловедения и оптоэлектроники.
  2. С использованием комплекса фемтосекундной лазерной микро-стереолитографии, разработано нескольких типов уникальных полимерных матриксов с заданной внутренней структурой для тканевой инженерии, а также проведена их физико-химическая характеризация. Созданные матриксы уже проходят испытания в составе тканеинженерных конструкций в экспериментах с мезенхимальными стромальными и нейрональными клетками.
  3. Сделан оригинальный обзор и сравнительный анализ различных методов 3-х мерного синтеза биорезорбируемых полимерных матриксов для тканевой инженерии: лазерная стереолитография; селективное лазерное спекание; различные варианты трехмерной печати. Представленный обзор позволяет выбрать адекватный подход к синтезу матриксов-носителей в зависимости от типа предполагаемого биомедицинского исследования.
  4. Разработаны процессы поверхностно-селективного лазерного спекания (ПСЛС) полимерных микрочастиц с использованием двух новых подходов: 1. основанных на использование плазмонных частиц (наночастицы золота) в качестве сенсибилизатора; 2. основанных на комбинированном метода ПСЛС и 3D печати с водным связующим. Разработанные методы позволяют существенно расширить возможности метода селективного лазерного спекания для получения матриксов носителей с заданными свойствами.
  5. Разработаны лазерные и сверхкритические флюидные методы формирования нано-композитных структур с плазмонными, люминесцентными и биоактивными частицами. Изучены процессы фото-термической само-сборки плазмонных структур в полимерных пленках, содержащих прекурсоры золота и серебра
  6. Разработаны процессы формирования филаментных структур из наночастиц благородных металлов в прозрачных диэлектриках (полимеры, нанопористые стекла) под действием непрерывного лазерного излучения. Осуществлен синтез ассемблированных подложек золотых наностержней, с коэффициентом усиления сигнала комбинационного рассеяния (КР) до 106, как платформы для высокочувствительной КР диагностики биомолекул.
  7. Исследованы лазерно-индуцированные процессы в гибридных наноразмерных частицах на основе кремния. Разработан синтез и характеризация наноразмерных частиц на основе кремния. Изучены проявления лазеро-индуцированных эффектов в нанокремнии в спектрах комбинационного рассеяния нанокремния. Изучены процессы лазерно-индуцированного тушения и восстановление фотолюминесценции в гибридных наночастицах Si/SiOx. Сделан вывод о перспективности применения гибридных наночастиц Si/SiOx. в системах биовизуализации и оптической записи информации.
  8. Изучены гидродинамические процессы при взаимодействии лазерного излучения с живыми клетками, биотканями и коллоидами. Обнаружены важные особенности генерации парогазовых пузырьков вблизи торца волокна. Исследованы механизмы процессов деградации торца транспортного оптоволокна под действием  лазерного излучения умеренной мощности. Определен вклад оптоакустических эффектов при взаимодействии лазерного излучения на биоткани. Надежно установлено действие лазероиндуцированных гидродинамических процессов на увеличение активности «ослабленных» мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток. Проведенные эксперименты показывают исключительную перспективу использования лазеро-индуцированных гидродинамических процессов в регенеративной медицине.
  9. Разработаны методы введения наночастиц (антистоксовые нанофосфоры и кремниевые наночастицы) в полимеры, а также – в композиции способные к УФ фото-полимеризации. Исследованы оптические свойства фторсодержащих акриловых мономеров. Разработан процесс лазерного формирования субмикронных брэгговских решеток в композитных полимерных материалах с внедренными нанофосфорами. Разработан процесс введения кремниевых наночастиц в полимеры – термопласты с целью создания оптических устройств для терагерцового диапазона частот.
  10. Разработаны процессы синтеза, модификации  фотолюминесцирующих наноразмерных антистоксовых фосфоров; осуществлена их  комплексная характеризация.  Создан уникальный фотолюминесцентный диффузионный оптический томограф, необходимый для реализации биоимиджинга на мелких лабораторных животных с использованием нанофосфоров.