Биотехнологии 2015 Сборник материалов международного конгресса

SECTION | | “BIOMATERIALS AND THERIS FUNCTION

IN THE MODERN BIOTECHNOLOGY AND MEDICINE”

подложки снижает величины коррозионных токов в области пассивации в физиологических солевых растворах.

На основе экспериментальных результатов рассмотрены модели физико-механических процессов, контролирующих рост покрытий и их растворение в биологической жидкости, и механических свойств кальцийфосфатных покрытий.

Для описания деформации и разрушения пористых кальцийфосфатных покрытий предложены многоуровневые модели на основе метода подвижных клеточных автоматов. Покрытия рассматриваются как иерархически организованные пористые материалы. На основе построенных моделей исследованы эффективные прочностные и упругие свойства покрытий с учетом распределения элементного состава по глубине покрытия, а также особенности их деформации и разрушения при различных типах механического нагружения.

Приведены примеры применения биокомпозита на основе наноструктурного и ультрамелкозернистого титана и кальцийфосфатных покрытий в медицинской практике.

Авторы признательны коллегам за участие в выполнении работы на всех ее этапах, обработке и обсуждении результатов и подготовке публикаций.

*Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований СО РАН 2013-2016, III.23.2.

UDK 533.9.07

BIOCOMPOSITES ON THE BASE OF CALCIUM-PHOSPHATE COATINGS, NANOSTRUCTUREDAND ULTRAFINE GRAINED BIOINERT METALS, THEIR BIOCOMPTABILITYAND BIODEGRADATION*

Psakhie S.G.1,2, Sharkeev Yu.P.1,2

1Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (ISPMS SB RAS), Tomsk, Russia,

634055, Tomsk, 2/4, pr. Akademicheskii, e-mail: [e-mail] 2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk,

Russia, 634050, Tomsk, Lenin Avenue, 30

The results research and development of biocomposites based on calcium-phosphate coatings and ultrafine-grained bioinert alloys are presented. The regularities of the formation of calcium-phosphate coatings by the method of micro-arc oxidation were studied. Electrochemical, tribological and biological degradation of biocomposites is analyzed. Results of medical tests of dental implants from ultrafine-grained titanium with micro-arc calcium phosphate coatings are described.

Keywords: biocomposite, ultrafine grained titanium, biocoating, calcium phosphates, structure, properties, biocompatibility, biodegradation

In modern medical practice implants consisting of bioinert metals (titanium, zirconium, or nio- bium) and their alloys and biocompatible coatings based on calcium phosphates are widely used. The combined method of severe plastic deformation including abs-pressing and subsequent mul- tiple rolling is used to form an ultrafine-grained state with average size of grain-subgrain structure elements 0.1–0.2 mm in the bioinert matrix. This leads to a considerable improvement of the physi- comechanical characteristics (microhardness, elasticity limit, ultimate strength, fatigue strength, and cycle life) by a factor of 1.5–2.5.

Congress “BIOTECHNOLOGY: STATE OF THE ART AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT” March 17-20, 2015	209

СЕКЦИЯ | | «БИОМАТЕРИАЛЫ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ»

The preliminary preparation of the surface, including sandblasting and chemical etching, allowed the required porous surface to be formed and the adhesive strength of calcium phosphate coatings to be increased by the method of microarc oxidation by a factor of 1.5–2.

To bioactivate implants and to strengthen their osteointegration with bone tissue, the calcium phosphate coating containing calcium phosphate compounds native to bone tissues were deposited on their surface. The efficient and simple method of microarc oxidation in aqueous solutions of electrolytes was suggested to obtain calcium phosphate coatings with good physical and chemical properties on the implant surface with complicated shape.

The coatings based on calcium phosphates are biocompatible and promote osteointegration with bone tissue. Moreover, the phase composition and crystallinity of coatings are less important factors for bioengineering of the bone tissue in comparison with the coating relief. The optimal range of roughness of the calcium phosphate coatings, Ra = 2–3 mm, that promoted osteogenous differentiation of stromal stem cells, was established. The microarc calcium phosphate coating on the surface of the ultrafine-grained substrate reduced corrosion currents in the region of passivation in physiological salt solutions.

Based on the experimental results, models of the physicomechanical processes regulating the growth of coatings and their dissolution in biological liquids are considered togather with the mechanical properties of calcium phosphate coatings.

To describe the deformation and destruction of porous calcium phosphate coatings, multilevel models were suggested based on the method of mobile cellular automation. The coatings were considered as hierarchically organised porous materials. Based on the constructed models, the effective strength and elastic properties of coatings were investigated taking into account the depth distribution of elemental composition of the coating and the salient features of their deformation and destruction upon mechanical loading of various types.

Examples of the biocomposite based on nanostructured and ultrafine-grained titanium and calcium phosphate coatings used in medical practice are presented.

The authors are grateful to their colleagues for participation in this work in all stages, processing, and discussion of the results obtained and preparation of publications.

*ThisworkwascarriedoutpartiallyunderfinancialsupportoftheRussianBasicResearchProgram of SB RAS 2013-2016, III.23.2.

210	Конгресс «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 17-20 марта 2015

SECTION | | “BIOMATERIALS AND THERIS FUNCTION

IN THE MODERN BIOTECHNOLOGY AND MEDICINE”

УДК 544.72-024

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ТЕСТ-СИСТЕМ Волкова Е.В.1, Гусев С.А.1, Грицкова И.А.2

1ФГБУН «Научно-исследовательский институт физико-химической медицины ФМБА России», Россия, г. Москва 2ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет тонких химических технологий имени

М.В. Ломоносова», Россия, г. Москва 119435, Россия, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1А e-mail: [e-mail]

Предложен новый тип частиц носителей биолигандов и показана возможность их использо - вания в диагностических тест-системах

Ключевые слова: композиционные полимерные частицы, реакция пассивной латексной агглютинации (РПЛА), дифтерийный латексный диагностикум

Был предложен новый подход к созданию частиц полимерного носителя биолигандов, суть которого заключалась в получении композиционных полимерных частиц путем формирования на поверхности полимерных микросфер большого диаметра оболочки из полимерных частиц малого диаметра за счет химического связывания функциональных групп, содержащихся в их поверхностном слое [1].Для этого были использованы полимерные микросферы со средним диаметром 5 мкм, полученныеметодом затравочной полимеризации стирола в присутствии аминосодержащего кремнийорганического гемини-ПАВ, и полимерные частицы со средним диаметром 0,4 – 0,7 мкм, синтезированные методом гетерофазной полимеризации стирола в присутствии того же функционального кремнийорганического гемини-ПАВ [2].

На основе полученных композиционных частиц была разработана диагностическая тестсистем для определения уровня антител к дифтерийному анатоксину методом реакции пассивной латексной агглютинации. Результаты определения специфической активности с помощью контрольной противодифтерийной сыворотки (10 МЕ/мл) показали, что полученная диагностическая тест-система является более чувствительной (титр 1:51200), чем существующие гемагглютинационные диагностикумы (титр 1:6400).

Литература:

1.  Волкова Е.В.Создание диагностических тест-систем с использованием полимерных микросфер: дис…. канд. хим. наук. – М., 2014. – С. 89–97.

2.  Прокопов Н.И., Грицкова И.А., Черкасов В.Р., Чалых А.Е.Синтез монодисперсных функциональных полимерных микросфер для иммунодиагностических исследований // Успехи химии. – 1996. – Т. 65., №. 2. – С. 178-192.

Congress “BIOTECHNOLOGY: STATE OF THE ART AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT” March 17-20, 2015	211

СЕКЦИЯ | | «БИОМАТЕРИАЛЫ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ»

УДК 544.72-024

RASPBERRY-LIKE POLYMER PARTICLESAND THEIRAPPLICATION TO DIAGNOSTIC ASSAYS

Volkova E.V.1, Gusev S.A.1, Gritskova I.A.2

1The Scientific Research Institute of Physical-Chemical Medicine, Russia, Moscow 2Lomonosov Moscow State University of Fine Chemical Technologies, Russia, Moscow 1A Malaya Pirogovskaya str., Moscow, Russia, 119435

[e-mail]

A new type of polymer particles and their application as carriers for biomolecules to diagnostic assays have been described

Keywords: raspberry-like polymer particles, reaction of passive latex agglutination (RPLA), diphtheria latex agglutination assay

A new type of polymer particles with a raspberry-like structure and their application as carriers for biomolecules have been developed. In general, raspberry-like polymer particles were fabricated by formation of small-size polymer particle shell on the surface of large-size polymer particle core by covalent binding between their surface functional groups. Two types of polymer particles were used: polymer microspheres with average size of 5 μm prepared by seeded polymerization of styrene in the presence of amino-functional organosilicon surfactant andpolymer particles with average size of 0.4 – 0.7 μm prepared by heterophase polymerization of styrene in the presence of the same surfactant.

Raspberry-like polymer particles with surface amino groups were used ina passive latex agglutination assay fordetection of specific antibodies to diphtheria toxoid. The titration of standard antidiphtheria sera (10 IU/ml) showed that the latex agglutination assay is more sensitive (titer of standard antisera 1:51200) thanhemagglutination assays (titer of standard antisera 1:6400).

Литература:

1.  Волкова Е.В.Создание диагностических тест-систем с использованием полимерных микросфер: дис…. канд. хим. наук. – М., 2014. – С. 89–97.

2.  Prokopov N.I., Gritskova I.A., Cherkasov V.R., Chalykh A.E.Synthesis of monodispersefunctional polymeric microspheres for immunoassay // Russ. Chem. Rev. – 1996. – V. 65., №. 2. – P. 167181.

212	Конгресс «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 17-20 марта 2015

SECTION | | “BIOMATERIALS AND THERIS FUNCTION

IN THE MODERN BIOTECHNOLOGY AND MEDICINE”

ПОСТЕРЫ

POSTERS

УДК 577.15.08+606.61:677.494

СТАБИЛИЗАЦИЯ ХИТОЗАНОМ И ЛИЗАТОМ КЛЕТОК HALOBACTERIUM SP.

ПРОТЕИНАЗ ИЗ ГЕПАТОПАНКРЕАСА КРАБА, ИММОБИЛИЗОВАННЫХ НА ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ НОСИТЕЛЯХ Досадина Э.Э., Каленов С.В., Белов А.А.

РХТУ им. Д.И.Менделеева, каф. биотехнологии; НИИ текстильных материалов Москва, РФ, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1

E-mail: ABelov2004@ yandex.ru

Получены иммобилизованные на хитозансодержащей диальдегидцеллюлозе производные гидролаз из гепатопанкреаса краба. Показана стабилизация хитозаном и лизатом клеток Halobacterium sp. иммобилизованных ферментов в процессе хранения и термоинактивации при повышенной температуре.

Ключевые слова: хитозан, диальдегидцеллюлоза, иммобилизация, медицина, Halobacte­ rium sp.

Стабильность лекарственных форм и фармацевтических препаратов в процессе хранения определяется “сроком годности”, в течение которого уровень качественных и количественных изменений характеристик лекарственной формы достигает предела, определяемого требованием действующей Государственной Фармакопеи или иной НТД на данное медицинское изделие.

Былисинтезированыхитозан(Хт)содержащиецеллюлозныеносителисодержащиеиммобилизованные протеиназы гепатопанкреаса краба (ПК). Использованные нами Хт и его произво - дные обладают биоцидными свойствами по отношению к широкому спектру микроорганизмов раневого отделяемого (Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Bacillus subtilis). Исследована кинетика выхода Хт с целлюлозной матрицы в присутствии глицерина(Гл) и без. Гл способствует закреплению Хт на матрице. Максимальное количество Хт выходит в жидкую среду (рН 6,2) в первые часы. Впервые для стабилизации ферментативной активности использован лизат клеток галобактерий, которые могут синтезировать каротиноиды, обладающие антиоксидантной активностью, клеточные метаболиты могут обладать протекторными свойствами в отношении ферментов ПК. Изучено влияние Хт и лизата биомассы галобактерий на ферменты ПК. Полученные данные показывают, что лизированные клетки галобактерий не влияют на фер - ментативную активность ПК. Оценка биоцидных свойств хитозансодержащих целлюлозных носителей с иммобилизованным Хт, ПК и Хт показала, что Хт в присутствии ферментов ПК, Гл, лизата клеток галобактерий теряет свои антимикробные свойства.

Congress “BIOTECHNOLOGY: STATE OF THE ART AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT” March 17-20, 2015	213

СЕКЦИЯ | | «БИОМАТЕРИАЛЫ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ»

THE CHITOSANAND HALOBACTERIUM CELLLYSATE STABILIZATION OFTHE CRAB HEPATOPANCREATIC PROTEINASES IMMOBILIZED ON THE CELLULOSE CARRIERS Dosadina E.E., Kalenov S.V., BelovA.A.

MUCTR, ch. Biotechnology, Research Institute of textile materials, Moscow, Russian Federation E-mail: ABelov2004@ yandex.ru

It was obtained the hydrolases derivatives from the Crab hepatopancreatic proteinases immobilized on the chitosan containing dialdehydecellulose. It was shown that chitosan and halobacterium cell lysate stabilize the immobilized enzymes in the process of the storage and thermoinactivation at high temperature.

Keywords: chitosan, chitosan-coated dialdehydecellulose, proteinases, medical applications

The medicine and pharmaceutical chemicals stability is determined by its shelf life which is limited by the level of the quantitative and qualitative changes in the medicine’s properties.

The chitosan and its derivatives are known to have antibacterial activity against a wide range of microorganisms which can be found in the wound: (Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Bacillus subtilis). The kinetics of a chitosan release from the cellulose devices in the presence and absence of glycerin. The results indicate that glycerin promotes a better chitosan fixing on the matrix. The maximum of chitosan releases in the fluid (pH=6.2) during the first hours. For the first time the halobacterium cell lysate was used for the enzyme’s activity stabilization. The halobacterium can synthesize carotinoids which are known to have an antioxidant activity, cell metabolites also seem to have some protective properties towards PC enzymes. It was also investigated the chitosan and halobacterium cell lysate influence on the PC enzymes. The results obtained show that halobacterium lysed cells don’t have any effect on the on the PC enzymatic activity. The estimate of the antibacterial properties of the chitosan-containing cellulose carriers with chitosan and chitosan-PC immobilized on the matrix showed that chitosan loses all its bactericidal properties in the presence of the enzymes, glycerin and halobacteruim cell lysate.

УДК 543.421/.424, 577.352.24

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ПЭГИЛИРОВАНИЯ БИОМАКРОМОЛЕКУЛ НА ОСНОВЕ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ ФУРЬЕ Дейген И.М., Кудряшова Е.В.

Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва, Россия 119991, Москва, Ленинские горы, 1

e-mail: [e-mail]

Pазработан новый универсальный подход к определению степени ПЭГилирования био-

молекул, основанный на ИК-спектроскопии Фурье. Предлагаемый метод основан на анализе

интенсивности характеристической полосы поглощения C-O-C связи в цепи ПЭГ, представ-

ленной в ИК-спектрах ПЭГилированных соединений. Применимость разработанного подхода

продемонстрирована на примере ПЭГ-хитозана (ММ хитозан 15 и 90 кДа, ММ ПЭГ – 5 кДа) и

нековалентных электростатических комплексов ПЭГ-хитозана с анионными липосомами 80%

ДПФХ, 20% кардиолипина.

Ключевые слова: ПЭГилрование, ИК-спектроскопия, анионные липосомы, хитозан

214	Конгресс «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 17-20 марта 2015

SECTION | | “BIOMATERIALS AND THERIS FUNCTION

IN THE MODERN BIOTECHNOLOGY AND MEDICINE”

ПЭГилирование является наиболее широко применяемым подходом к регуляции свойств биомолекул. Для разработки и успешного применения ПЭГилированнных молекул в биотехнологии и медицине необходимо иметь высокопроизводительный и чувствительный метод определения содержания ПЭГ в различных системах. Нами разработан новый эффективный подход дляопределениястепениПЭГилированиябиомолекулс применениемИКспектроскопииФурье. Метод основан на анализе интенсивности характеристической полосы поглощения C-O-C связи в ИК спектре ПЭГ. Применимость данного похода была продемонстрирована на примере конъ - югатов хитозана (ММ 15кДа и 90кДа) с ПЭГ. Для контроля параметров, полученных методом ИК-спектроскопии использовали методы титрования свободных аминогрупп с ТНБС и ортофталиевым альдегидом. Результаты находятся в хорошем соответствии, что определяет применимость разработанного метода ИК спектроскопии. Основные преимущества разработанного метода заключаются в высокой чувствительности метода, в его экспрессности, малых объемах пробы, необходимых для анализа. Разработанный подход был далее применен для анализа со - става нековалентных комплексов, содержащих ПЭГ, на примере комплексов анионных липосом с поликатионным сополимером, ПЭГ-хитозаном. Из анализа изотерм адсорбции полимера на липосомах с использованием координат Скетчарда установлено, что в условиях полного насыщения стехиометрический состав комплекса в системе липосомы-ПЭГхитозан соответствует соотношению 1:1,2 (осново-моль). Комплексообразование сопровождается увеличением радиуса везикул от 80 нм до 110нм и нейтрализацией дзета-потенциала от -20mV и до -5 mV. Разработанный метод определения степени ПЭГилирования позволит проводить высокопроизводительный скрининг ПЭГилированных препаратов, в том числе, медицинского назначения.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 14-04-00325A, Правительства РФ № 11G34.31.0004 и программы развития МГУ.

UDK 543.421/.424, 577.352.24

NEWAPPROACH FOR PEGYLATION DEGREEANALYSIS IN BIOMACROMOLECULES BY USING FTIR SPECTROSCOPY

Deygen I.M., Kudryashova E.V.

Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia 119991, Moscow, Leninskie gory 1

e-mail: [e-mail]

New versatile approach based on FTIR-spectroscopy has been developed for determination the PEGylation degree of biomolecules. The proposed method is based on the analysis of the intensity of the characteristic narrow absorption band of C-O-C bond in PEG chains presented in IR spectra of all PEGylated objects. The applicability of the developed approach was studied by the example of PEG-chitosan copolymer composition (where chitosan MW was 15 and 90 kDa; PEG MW was 5 kDa) and non-covalent electrostatic complexes of PEG-chitosan copolymers with anionic liposomes.

Keywords: PEGylation, FTIR spectroscopy, aninonic liposomes, chitosan

PEGylation is the most widely used approach to regulation properties of biomolecules. For the development and successful application of PEGylated molecules in biotechnology and medicine one shoud employ highly efficient and sensitive method for the determination of PEG content in different systems. In this study, a new efficient approach to determine the PEGylation degree of biomolecules by means of Fourier IR spectroscopy is described.

Congress “BIOTECHNOLOGY: STATE OF THE ART AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT” March 17-20, 2015	215

СЕКЦИЯ | | «БИОМАТЕРИАЛЫ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ»

The method is based on the analysis of the characteristic absorption band intensity of PEG (for C-O-C bond) in IR spectrum. The applicability of this approach has been demonstrated by the example of the conjugates of chitosan (MW 15kDa and 90kDa) with PEG. To control the parameters obtained by IR spectroscopy the titration of free chitosan aminogroups by TNBS or OPA was cariied out. The results are in good agreement, hence the applicability of the developed method of IR spectroscopy is demonstrated. The main advantages of this method is the high sensitivity, rapidity, small volumes of sample required for analysis.

Designed approach was further employed to analyze the composition of non-covalent complexes containing PEG with using liposome anionic complexes with polycationic copolymer PEG-chitosan as an example. From the analysis of the adsorption isotherms of the polymer to liposomes by using Scatchard coordinate it was established that at saturation liposome-PEGchitosan base-molar ratio is 1: 1.2. Complexation is accompanied by an increase in the radius of the vesicles from 80 nm to 110 nm, and the neutralization of the zeta potential from -20mV and to – 5 mV.

The method for determining the degree of PEGylation will allow for high-throughput screening of PEGylated objects for medical application.

Thisworkwassupportedby grantsRFBR14-04-00325A,theGovernmentof theRussianFederation № 11G34.31.0004 and development programs of MSU.

УДК 615.032.23

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОАЭРОЗОЛЕЙ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ВЕЩЕСТВ Канев И.Л., Морозов В.Н.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук. 142290, г. Пущино Московской обл. ул. Институтская, 3

E-mail: [e-mail]

Разработан новый метод генерации субмикронных и наноаэрозолей биологически-активных веществ. Он основан на электрораспылении растворов с последующей газофазной нейтрализацией продуктов распыления противоионами небольшого размера, полученными распылением нейтрального растворителя. Специальные исследования показали универсальность такого метода атомизации и полное сохранение структуры и функциональных свойств молекул в наноаэрозоле.

Ключевые слова: наноаэрозоль, новые лекарственные формы, электрораспыление.

Наноаэрозоли привлекают большое внимание в качестве перспективного средства доставки лекарственных средств в организм. В отличие от микронных аэрозолей, генерируемых ком- мерчески доступными небулайзерамии ингаляторами, наноаэрозоли проникают глубоко в лег- кие – в альвеолы, что обеспечивает более длительное воздействие лекарства и более полное попадание распылённого вещества в кровь. В случае лёгочных заболеваний использование аэ- розолей позволяет доставлять лекарственное средство напрямую в пораженные ткани лёгких, причём, изменяя размер частиц аэрозоля, можно контролировать область его преимуществен- ного осаждения в разных участках легкого. Нами создана конструкция генератора аэрозолей, которая позволяет получать аэрозоли с размером частиц 10-300 нм и концентрацией до 1 мкг/л воздуха из растворов различных веществ при скорости потока воздуха до 9 л/мин. Выяснено как влияют основные параметры распыления (сила тока, диаметр капилляра, скорость потока

216	Конгресс «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 17-20 марта 2015

SECTION | | “BIOMATERIALS AND THERIS FUNCTION

IN THE MODERN BIOTECHNOLOGY AND MEDICINE”

воздуха и свойства распыляемого раствора) на размер частиц, форму спектра и концентрацию наноаэрозоля. Технология применима для генерации наноаэрозолей из широкого круга субстанций: органических нелетучих веществ, антибиотиков, белков и водных суспензий наночастиц. Показана возможность генерации наноаэрозолей белков с полным сохранением структуры и функциональной активности. В ходе предварительных испытаний на лабораторных животных установлено, что разработанный генератор создает наноаэрозоль, который оседает в лёгких мышей в количестве ~0,5 мкг в час.

UDC 615.032.23

ANEW METHOD FOR GENERATION OF NANOAEROSOLIZED DRUGS

Kanev I.L., Morozov V.N.

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Moscow Region, Russia 142290

E-mail: [e-mail]

We report a new method of generating submicron and nano-aerosol particles from biologically active substances. It is based on the electrospraying solutions followed by gas phase neutralization of charged electrospray products with small counter-ions generated by electrospraying of an inert solvent. Special studies have demonstrated versatility of this atomization technique and complete preservation of the structure and functional properties of atomized biological molecules.

Keywords: nanoaerosol, new forms of drugs, electrospray.

Nanoaerosols attractmuch attentionasa perspectivewayof delivering drugsinto organism. Unlike micron-sized aerosol particles generated by commercial nebulizers and inhalers, nanoparticles penetrate deep into the lungs – in the alveoli, enabling a prolonged exposure to the drug and a complete transfer of the substance into the bloodstream. In the case of lung diseases drug in the form of nanoaerosol may be directly delivered into the affected tissue. By changing the size of nanoaerosol particles the latter may be preferentially deposited in different lung areas.We have developed a prototype of a nanoaerosol generator which produces particles, 10-300 nm in diameter, at a concentration of 1 mg/m3 from various substances with the volumetric output of 9 L/min. The main parameters affecting the spray (electric current, capillary diameter, air flow rate and solution properties) have been evaluated for their effects on the particle average size, size distribution (spectrum) and nanoaerosol concentration. The technology enables generation of nanoaerosols from a variety of substances: nonvolatile organic compounds, antibiotics, proteins, aqueous suspensions of nanoparticles. It was demonstrated that proteins retained full structure and functional activity in the nanoaerosol generated. In the preliminary tests on laboratory animals it was found that our device allowed deposition of approximately 0.5 µg of substance in the lungs of a mouse within one hour.

Congress “BIOTECHNOLOGY: STATE OF THE ART AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT” March 17-20, 2015	217

СЕКЦИЯ | | «БИОМАТЕРИАЛЫ И ИХ РОЛЬ В СОВРЕМЕННЫХ БИОТЕХНОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ»

УДК 669.691.5, 532.614, 532.64

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОДУГОВЫХ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКОМОДУЛЬНОМ СПЛАВЕ Ti-

40 мас.%Nb

Комарова Е.Г.1, Шаркеев Ю.П.1,2, Чебодаева В.В.2, Толкачева Т.В.1 1Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия

2Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, Россия

634021, г. Томск, пр. Академический, 2/4, ИФПМ СО РАН, e-mail: [e-mail]

Исследовановлияниеэлектрофизическихпараметровмикродуговогооксидирования:напряжение и длительность процесса, на характеристики кальцийфосфатных покрытий (толщина, морфология, рельеф поверхности и смачиваемость) на поверхности низкомодульного сплава Ti-40 мас.%Nb. Выявлен оптимальный режим нанесения покрытия, позволяющий формировать гидрофильные покрытия с пористой градиентной структурой и большой свободной поверхностью.

Ключевые слова: кальцийфосфатное покрытие; микродуговое оксидирование; гидрофильность; свободная поверхностная энергия.

Важными требованиями, предъявляемыми к металлическим биоматериалам, являются низкий модуль упругости, сравнимый с модулем кости человека, и отсутствие токсичности легирующих элементов, входящих в состав сплава. Привлекательным в части повышенной биомеханической совместимости являются сплавы системы титан-ниобий. Для предотвращения послеоперационных осложнений, связанных с отторжением активного металла, целесообразно наносить кальцийфосфатное (СаР) покрытие, обладающее биоактивными и биосовместимыми свойствами. Для получения таких покрытий эффективен микродуговой метод. В работе исследовано влияние напряжения и длительности оксидирования на морфологию, рельеф поверхности и смачиваемость СаР покрытий. Показано, что с повышением напряжения до 200-350 В и длительности оксидирования до 5-15 мин толщина и шероховатость покрытий линейно увеличиваются, в то время как значения краевых углов с водой и глицерином линейно уменьшаются. СаР покрытия являются гидрофильными с большой свободной поверхностью 73-86 мН/м, благодаря их развитому рельефу и наличию сильных полярных химических связей (OH-группы, оксиды и фосфаты).

UDC 669.691.5, 532.614, 532.64

INVESTIGATION OF PHYSICALAND CHEMICALCHARACTERISTICS OF MICRO-ARC COATINGS PUT ON LOW-MODULUS Ti-40 Mas.%NbALLOY

Komarova E.G.1, Sharkeev Yu.P.1,2, Chebodaeva V.V.2, Tolkacheva Т.V.1

1Institute of Strength Physics and Materials Science of SB RAS, Tomsk, Russia

2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia

634021, Tomsk, pr. Academicheskii, 2/4, ISPMS SB RAS, e-mail: [e-mail]

The influence of electro-physical parameters as voltage and duration of the microarc oxidation

process on the characteristics of calcium phosphate coatings put on the low-modulus Ti-mas.%Nb

alloy surface (thickness, morphology, surface topography and wettability) was investigated. The opti-

mal parameters of the microarc oxidation allowing obtaining the hydrophilic coatings with a gradient

porous structure and a large free surface were found.

Keywords: calcium phosphate coating; micro-arc oxidation; hydrophilicity; free surface energy.

218	Конгресс «БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 17-20 марта 2015