Светлана Уласевич — доцент-исследователь Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО, специалист по сонохимии, электрохимии и биомиметическим материалам. Она окончила химический факультет Белорусского государственного университета в пятерке лучших студентов курса, а диссертацию выполняла частично в ИОНХ НАН Беларуси, частично ― в Институте коллоидной химии и межфазных систем имени Макса Планка в Постдаме (Германия).
В 2018 году Светлана переехала работать в Университет ИТМО в группу профессора Екатерины Скорб — по программе ITMO Fellowship. Сейчас, благодаря выигранному гранту РНФ и поддержке Университета ИТМО, у Светланы уже собралась собственная рабочая группа — вместе они работают над биомиметическими материалами на основе диоксида титана.
Мы поговорили с ученым о перспективе биомиметических материалов, использовании ультразвука для структурирования химических веществ и поверхности имплантатов.
О биомиметических материалах и сонохимии
С самого начала, когда я еще училась на химика в Белорусском государственном университете, я всегда выбирала темы на стыке между медициной и химией. В университете поощрялось занятие научно-исследовательской деятельностью параллельно с учебой. Мне было интересно вовлекаться в настоящее исследование, когда ты не знаешь конечный результат, когда нет ответов, но есть много вопросов, на которые ищешь ответ.
На третьем курсе мое исследование касалось синтеза бионеорганических комплексов, применяемых в фармацевтике. На пятом курсе мы занимались в группе разработкой фотокаталитических покрытий на основе диоксида титана и изучением их фотобиоцидных свойств. Это был интересный опыт, когда ты сначала создаешь материал, потом сажаешь на его поверхность бактерии и изучаешь их инактивацию.
Эта тема мне так понравилась, что я решила: в будущем обязательно буду заниматься исследованиями на стыке дисциплин. Это сложно, но вместе с тем и безумно интересно. И конечно же, такие исследования наиболее эффективно проводить в коллаборации. И вот моя мечта реализовалась в ИТМО — появилась возможность создать группу как раз на стыке химии и биологии.
А теперь о главном. Что же такое биомиметические материалы? Это материалы, на создание которых нас вдохновила сама природа. У природы были миллионы лет эволюции, чтобы довести свои объекты до совершенства. Биомиметическими материалами называют искусственные материалы, которые обладают свойствами природных объектов, либо разработаны на основе принципов, по которым реализуется жизнь в живых объектах. Кроме того, биомиметическими материалами называют гибридные материалы, состоящие из неорганической и природной составляющей.
Главный объект моего научного интереса — это биосовместимые и биомиметические материалы. Я занимаюсь разработкой биосовместимых покрытий, способных стимулировать остеогенез и остеоинтеграцию. В частности, композиционных покрытий на основе наноструктурированной металлической поверхности и фосфатов кальция.
Почему они биомиметические? Потому что раньше фосфаты кальция, которыми покрывали сплавы медицинского назначения, добывали из кораллов или других природных объектов. Сейчас гидроксиапатит можно синтезировать золь-гель методом без примеси биологической составляющей.
В прошлой научной группе я занималась получением различных композиционных материалов на основе фосфатов кальция, в том числе и гидроксиапатита. Мы активно сотрудничали с РУП «Белмедпрепараты», где был внедрен разработанный в группе препарат «Гель гидроксиапатита». В рамках своей диссертации я занималась электрохимическим формированием функциональных покрытий на титане. Так что теперь это направление — своеобразное сочетание двух моих сильных сторон.
В перспективе я хочу разработать такой слой на имплантатах, который будет еще дополнительно содержать в себе лекарство, которое будет высвобождаться только при возникновении воспалительного процесса, подавляя развитие постоперационного остеомиелита и других инфекций. Покрытия, содержащие лекарственные вещества, хороши тем, что они локально доставляют антибиотик в место поражения ткани — в результате можно использовать более низкую дозу лекарств, с пролонгированным эффектом и без токсичного воздействия на организм человека.
Вторая область, которая мне очень интересна, это сонохимия и соннохимические методы структурирования материалов. Сонохимия — это раздел химии, основанный на применении ультразвука в химических реакциях и процессах. Сонохимические методы обработки интересны тем, что ими можно модифицировать любые виды материалов независимо от их формы, в том числе имплантаты. Например, мы обнаружили, что сонохимическая обработка поверхности имплантата приводит к формированию покрытия диоксидом титана, которое стимулирует дифференциацию клеток в костном направлении без добавления остеоиндукторов. То есть фактически, эти покрытия не просто биосовместимы, они еще и способствуют росту костной ткани.
Кроме того, мы обнаружили интересный эффект: если обрабатывать, например, старые известные антибиотики — допустим, тетрациклин, — то они начинают действовать против резистентных штаммов бактерий. Мы сейчас вплотную занимаемся этой темой и готовим научную статью.
О работе в Германии
Будучи аспирантом, я полтора года работала приглашенным специалистом в Институте коллоидной химии и межфазных систем имени Макса Планка в Германии (MPIKG). Сначала я была в группе Екатерины Скорб в департаменте межфазных систем под началом Хельмуда Мювальда, потом мы перешли департамент биоматериалов под руководством Питера Фрацела.
Екатерина Скорб была моим научным руководителем при создании модифицированных светочувствительных рН-чувствительных покрытий. Мы модифицировали покрытия диоксида титана рН-чувствительными полиэлектролитами, а затем изучали их взаимодействие с иммобилизованными на поверхности покрытий клеточными культурами ― преостеобластами.
Дело в том, что диоксид титана под действием УФ-облучения способен генерировать активные формы кислорода, которые, вступая во взаимодействие с адсорбированной на поверхности водой, образуют ионы гидроксония и гидроксид-ионы, что приводит к изменению приповерхностного рН. Изменение рН, в свою очередь, вызывает изменение конформации рН-чувствительных полиэлектролитов на поверхности диоксида титана, а изменение конформации полиэлектролитов оказывает влияние на поведение клеток. Например, преостеобласты, адгезионные клетки предпочитали жесткие подложки, и при изменении конформации они мигрировали из областей с низкой жесткостью на более жесткую. Таким образом мы могли управлять поведением клетки при помощи света.
Мне очень нравится работать с Екатериной — у нас вообще многие научные интересы пересекаются. В частности ― создание различных полиэлектролитных капсул с функцией доставки веществ. Когда я закончила диссертацию и рассматривала несколько позиций для постдока, у меня были также предложения из индустрии. Но когда я узнала, что Екатерина переехала в ИТМО, то решила подать заявку на программу ITMO Fellowship and Professorship — и выиграла конкурс.
Об исследованиях в ИТМО и работе в коллаборации
Я выбрала ИТМО, потому что здесь очень сильная база по программированию, по различным цифровым технологиям, большие возможности для коллаборации и сотрудничества. Сейчас такая тенденция в мире, что нет чистого ученого в одной области. Чтобы развивать какое-то направление, нужно идти на стыке дисциплин. В частности, в моих исследованиях есть часть процессов, для которых нужна сильная математика. А ИТМО мне кажется одним из самых сильных российских вузов по части математики, поэтому я выбрала его, и теперь очень довольна своим выбором. Мне очень нравится, что девиз It`s more than a University действительно оправдывает себя. Это больше чем просто Университет, это семья.
Вообще мне очень повезло — в моей жизни встречается очень много интересных и талантливых людей. Мне очень нравится, что и в НОЦ Инфохимии, и в химико-биологическом кластере химики и биологи работают вместе. Я считаю, это уникальное сочетание. Когда идет коллаборация на таком уровне, мы можем достичь большего. В данный момент мы активно работаем и с химиками, и с биологами, и с теоретиками-расчетчиками. Еще я хочу привлечь к сотрудничеству медиков, чтобы и дальше проводить исследования с покрытиями медицинского назначения.
С 2020 в Центре инфохимии, при поддержке гранта РНФ для молодых ученых и инициативных групп, я организовала свою группу биомиметических материалов. Мой проект РНФ по теме «Микродозаторные и микроманипуляторные системы биомедицинского назначения на основе мезопористого диоксида титана, модифицированного полиэлектролитными мембранами» как раз очень интересен тем, что мы можем создавать покрытия, которые могут взаимодействовать не только с бактериями, но и с клеточными культурами. И теперь у нас есть лаборатория, где мы можем изучить взаимодействие разрабатываемых нами материалов с живыми клетками, а также оценить их поведение.
