Construction of Microparticles Based on Resorbable Polymers Bioplastotan Using Spray Drying Method

Исследована возможность применения метода распылительного высушивания для конструирования микрочастиц на основе поли-3-гидроксибутирата (П(3ГБ)). Установлена зависимость характеристик микрочастиц (выход, средний диаметр, дзета-потенциал) от параметров процесса получения (температура на входе в систему, скорость подачи полимерного раствора и концентрация раствора полимера). Показано, что на величину дзета- потенциала микрочастиц достоверное влияние оказывала концентрация раствора полимера, а на средний диаметр – температура на входе в систему. Также в работе оптимизированы условия получения П(3ГБ) микрочастиц с минимальной потерей продукта (до 10 %)The possibility of using the spray drying method for the construction of poly-3-hydroxybutyrate (P3HB) based microparticles was studied. The dependence of characteristics of microparticles (yield, average diameter, zeta-potential) from processing parameters (temperature at the inlet of the system, the feed rate of polymer solution and concentration of the polymer solution) was found. It is shown that zeta potential of microparticles was influenced by concentration of the polymer solution, and the average diameter was determined by temperature of the inlet. Also, conditions of obtaining P3HB microparticles were optimized to minimize polymer loss (approximately 10 %

Effects of Fullerenes and Nanodiamonds in Hydroponic Culture of Triticum aestivum

В настоящее время перспективы повышения эффективности различных агротехнологий связывают с использованием наноматериалов в качестве нанопестицидов, наноудобрений, наноадаптогенов, агентов для праймирования семян. Успешное развитие наноагротехнологий сдерживается недостаточной изученностью механизмов реализации биологической активности наноматериалов на различных этапах развития растительного организма. В связи с этим в гидропонной культуре пшеницы изучали влияние углеродных наночастиц, фуллеренов (С60Ф) и наноалмазов (НА), на активность прорастания зерновок и функциональный статус корня 2-суточных проростков пшеницы. Эффект праймирования был выявлен только для С60Ф (5 мкг/мл). Углеродные наночастицы не стимулировали рост корня. Для НА (25 и 50 мкг/мл) отмечалось ингибирование роста корня. Увеличение численности популяции пограничных клеток в корневом апексе было выявлено только для С60Ф (50 мкг/мл). В этом случае увеличение численности пограничных клеток сопровождалось повышением содержания белка в гелевом чехле апекса. Уменьшение численности пограничных клеток без изменения содержания белка в гелевом чехле апекса было выявлено для НА (50 мкг/мл) и С60Ф (25 мкг/мл). Оба типа наночастиц вызывали дозозависимое увеличение секреторной активности пограничных клеток. Углеродные наночастицы обладали дозозависимой прооксидантной активностью. НА (5 мкг/мл) и С60Ф (5 и 25 мкг/мл) увеличивали содержание карбонилированных белков в корнях 2-дневных проростков. Увеличение содержания малонового диальдегида наблюдалось только для НА (50 мкг/мл). Выявленные дозозависимые эффекты углеродных наночастиц не связаны с их проникновением в клетки (размеры наночастиц значительно превышают размеры нанопор в клеточной стенке пшеницы). Предполагается, что биологическая активность С 60Ф и НА может реализоваться через индукцию окислительного стресса в клеточной стенке и апопласте. Полученные результаты позволяют рассматривать углеродные наночастицы (определенных размерных классов в определенных концентрациях) как перспективные регуляторы физиологии корневой системы, реализующие свою активность «экстраклеточно», без транслокации в клеткуCurrently, the prospects for increasing the efficiency of various agricultural technologies are associated with the use of nanomaterials as nanopesticides, nanofertilizers, nanoadaptogens, and seed priming agents. The successful development of nanoagricultural technologies is hampered by insufficient data on the mechanisms through which the biological activity of nanomaterials is realized at various stages of development of the plant organism. Therefore, in the present work, the effects of carbon nanoparticles – fullerenes (C 60F) and nanodiamonds (ND) – on the germination activity of grains and the functional status of the roots of 2-day-old wheat seedlings were studied in hydroponic wheat culture. The priming effect was detected only for C 60P (5 μg/mL). Carbon nanoparticles did not stimulate root growth. In the ND (25 and 50 μg/mL) treatments, root growth was inhibited. An increase in the population of border cells in the root apex was detected only in the C 60F (50 μg/mL) treatment, where the increase in the number of border cells was accompanied by an increase in the protein content in the mucilage cap of the root apex. A decrease in the number of border cells without changes in the protein content in the apical mucilage cap was detected in the ND (50 μg/mL) and C 60F (25 μg/mL) treatments. Both types of nanoparticles caused a dose-dependent increase in the secretory activity of border cells. Carbon nanoparticles had dose- dependent pro- oxidant activity. ND (5 μg/mL) and C 60F (5 and 25 μg/mL) increased the content of carbonylated proteins in the roots of 2-day-old seedlings. An increase in malondialdehyde content was observed only in the ND (50 μg/mL) treatment. The detected dose-dependent effects of carbon nanoparticles are not associated with their penetration into cells (the sizes of nanoparticles significantly exceed the sizes of nanopores in the cell wall of wheat). It is assumed that the biological activity of C 60F and ND can be realized through the induction of oxidative stress in the cell wall and apoplast. Results of the current study suggest that carbon nanoparticles (of certain size classes in certain concentrations) can be regarded as promising regulators of the physiology of the root system, realizing their activity “extracellularly”, without translocation into the cel

Dose-Dependent Effects of Nanoscale Forms of Humic Acids in a Hydroponic Culture of Triticum aestivum: Induction of Oxidative Stress and an Increase in the Number of Border Cells

В гидропонной культуре Triticum aestivum L. изучали биологическую активность гуминовых кислот в форме наночастиц размером 6,5 нм и 68 нм. Гуминовые наночастицы (мелкие и крупные) в изученных концентрациях не ингибировали рост корня и не вызывали деструктивных изменений корневого апекса 2-дневных проростков. На средах с гуминовыми наночастицами в корнях проростков наблюдалось дозозависимое увеличение содержания карбонилированных белков, малонового альдегида и пролина – маркеров индуцированного окислительного стресса. Для мелких наночастиц основным продуктом свободнорадикального окисления был малоновый диальдегид, для крупных – карбонилированные белки. Индуцированный гуминовыми наночастицами окислительный стресс сопровождался дозозависимым увеличением численности свободных пограничных клеток и размеров гелевого чехла в корневом апексе 2-дневных проростков. Для мелких наночастиц (6,5 нм) эти изменения были выражены в значительно большей степени, чем для крупных наночастиц (68 нм). Полученные результаты позволяют рассматривать гуминовые наночастицы в качестве адаптогенов: способствуя увеличению численности популяции пограничных клеток и системы гелевого чехла (как продукта экскреторной активности пограничных клеток), наночастицы увеличивают устойчивость корневого апекса к воздействию неблагоприятных биотических и абиотических факторовThe biological activity of humic acids in the form of nanoparticles with a size of 6.5 nm and 68 nm was studied in a hydroponic culture of Triticum aestivum L. Both smaller and larger humic nanoparticles at the studied concentrations neither inhibited root growth nor caused destructive changes in the root apexes of 2-day-old seedlings. A dose-dependent increase in the contents of markers of induced oxidative stress such as carbonylated proteins, malonaldehyde, and proline was observed in the roots of seedlings on media with humic nanoparticles. Malondialdehyde was the main product of free radical oxidation for smaller nanoparticles and carbonylated proteins – for larger ones. Oxidative stress induced by humic nanoparticles was accompanied by a dose-dependent increase in the number of free border cells and the size of the mucilaginous sheaths on the root apexes of 2-day-old seedlings. For smaller (6.5 nm) nanoparticles, these changes were much more pronounced than for larger (68 nm) nanoparticles. The results obtained allow us to consider humic nanoparticles as adaptogens: contributing to an increase in the population of border cells and the mucilaginous sheath system (as a product of the excretory activity of border cells), nanoparticles enhance the resistance of the root apex to the effects of unfavorable biotic and abiotic factor

Fatty Acids Composition in Cyanobacteria and Their Ability to Synthesize Degradable Polyhydroxyalkanoates (PHA)

Исследованы состав жирных кислот липидов и способность к синтезу разрушаемых полигидроксиалканоатов (ПГА) у ранее не изученных цианобактерий, выделенных из водоемов бассейна р. Енисей. Изучено 10 штаммов различных видов, относящихся к порядкам Chroococcales, Oscillatoriales, Nostocales и Leptolyngbyales. В составе липидов исследованных штаммов цианобактерий идентифицированы 33 жирные кислоты, соотношение которых в зависимости от видовой специфики цианобактерий значительно варьировало, оказывая влияние на насыщенность липидов, которая составляла от 0,4 до 9,5. Для всех штаммов в качестве основной жирной кислоты (ЖК) идентифицирована пальмитиновая кислота, содержание которой составляло от 24 до 47 % от суммы ЖК. Доминирующими моноеновыми ЖК были C16:1ɷ7 и C18:1ɷ9, содержание которых варьировало от 2 до 16 и от 2 до 24 % от суммы ЖК соответственно. Все штаммы синтезировали полиеновые кислоты C16- и C18 рядов, но в различной степени. Выявлены пять штаммов (Chroococcus limneticus ACCS019, Trichormus variabilis ACCS039, Trichormus variabilis ACCS060, Anabaena aequalis ACCS089 и Cylindrospermum stagnale ACCS051), обладающих способностью синтезировать полимер, который у всех штаммов представлен гомополимером 3-гидроксимасляной кислоты – поли(3- гидроксибутиратом). Модификация стандартной питательной среды (исключение из ее состава азота и фосфора) обеспечила многократное повышение внутриклеточного содержания полимера. Цианобактерии Chroococcus limneticus ACCS019, Anabaena aequalis ACCS089 и Cylindrospermum stagnale ACCS51, в которых содержание полимера составило, соответственно, 8,9, 4,7 и 3,2 %, можно рассматривать в качестве потенциальных продуцентов ПГА в процессах фотосинтезаThe composition of fatty acids of lipids and the ability of cyanobacteria to synthesize degradable polyhydroxyalkanoates (PHA) were examined in previously unstudied cyanobacteria isolated from a number of water bodies of the Yenisei River Basin. Ten strains of various species belonging to the orders Chroococcales, Oscillatoriales, Nostocales and Leptolyngbyales were investigated. Thirty-three fatty acids (FAs) were identified in the lipid composition of the studied cyanobacterial strains. The ratio of FAs was to a high extent species-specific with the lipid saturation ranging from 0,4 to 9,5. In all strains, palmitic acid was identified as the main FA with the content ranging from 24 to 47 % of the total FA. The dominant monoenoic FAs were C16:1ɷ7 and C18:1ɷ9; their content varied from 2 to 16 and from 2 to 24 % of the total FA, respectively. All strains synthesized polyenoic acids of the C16- and C18 series but in different amounts. Five strains (Chroococcus limneticus ACCS019, Trichormus variabilis ACCS039, Trichormus variabilis ACCS060, Anabaena aequalis ACCS089 and Cylindrospermum stagnale ACCS051) were determined to be able to synthesize a homopolymer of 3-hydroxybutyric acid – poly(3-hydroxybutyrate). A modification of the standard nutrient medium (the exclusion of nitrogen and phosphorus from its composition) ensured a multiple increase in the intracellular content of the polymer. The cyanobacteria Chroococcus limneticus ACCS019, Anabaena aequalis ACCS089 and Cylindrospermum stagnale ACCS051 with the polymer content of 8.9, 4.7 and 3.2 %, respectively, can be considered as potential producers of PHA in photosynthesi

Получение и свойства микрочастиц поли(3-гидроксибутирата-со‑3- гидроксивалерата), нагруженных рифампицином

In this work, polyhydroxyalkanoates-based microparticles containing antibacterial drug rifampicin were obtained. The main characteristics of the microparticles were investigated: the particles yield, encapsulation efficiency and drug loading, average radius, surface morphology, polydispersity index, zeta potential and cytotoxicity towards HeLa cells. Loading of RIF into microparticles leads to the substantial decrease of its cytotoxicityВ настоящей р аботе о писан п роцесс п олучения м икрочастиц п оли(3-гидроксибутирата-со‑3- гидроксивалерата), содержащих антибактериальный препарат рифампицин. Определены основные параметры процесса получения и свойства микрочастиц: выход, эффективность инкапсулирования и включение препарата, средние размеры, морфология поверхности, индексы полидисперсности, дзета-потенциал, цитотоксичность в модельной культуре клеток HeLa. Установлено, что цитотоксичность полученной системы существенно ниже таковой для чистого РИ

Исследование токсикологических свойств P(3HB-co-4HB) нетканых мембран в качестве экспериментальных раневых покрытий

Non-woven experimental samples of wound dressings, made from natural degradable polymers, were produced and investigated. High-porous membranes were obtained by electrostatic formation of solutions of copolymers of 3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate [P(3HB-co-4HB)]. The set of pre-clinical assessments was performed, included testing of membranes in vitro and in vivo. Study was carried out by staining of blood cells with vital fluorochromic dyes, followed by analysis of activation of platelet adhesion, the ratio of the main morphological types of erythrocytes, measurements of changes of hemoglobin content in human blood, and hemolytic activity. The general toxic effect was investigated in experiment with white mice after the intraabdominal injection of water extracts of membranes. It was established, that direct contact with membranes had no negative influence towards cells of blood and showed no toxic effects in animal experimentsИзготовлены и исследованы нетканые экспериментальные образцы раневых покрытий из природных биоразлагаемых полимеров. Мембраны получены способом электростатического формования растворов сополимера 3-гидроксибутирата-со-4-гидроксибутирата [П(3ГБ-со-4ГБ)]. Проведено комплексное доклиническое исследование, включающее тестирование мембран in vitro и in vivo. Исследование выполнено окрашиванием клеток крови витальными флуорохромными красителями с последующим анализом активации тромбицитов, количества морфологических типов эритроцитов, а также содержания гемоглобина в крови и гемолитического действия. Общетоксическое действие исследовано в эксперименте на белых мышах при внутрибрюшинном введении водных экстрактов мембран. In vitro показано, что прямой контакт с тестируемыми мембранами не оказывал отрицательного влияния на клетки крови и не проявлял токсических эффектов на животны

Biodegradation of PHA in vivo

представленном обзоре обобщены литературные данные по динамике разрушения полигидроксиалканоатов (ПГА) in vivo и собственные результаты авторов, полученные за период исследований более десяти лет в экспериментах с имплантацией животным полимерных изделий в виде микрочастиц, пленок, нитей и 3D-форм на длительные сроки, достаточные для определения периодов полуразрушения имплантатов. В биодеградации ПГА наиболее значима роль макрофагальных иммунокомпетентных клеток фагоцитирующего типа с высокой ферментативной активностью; тканевая реакция на ПГА всегда с присутствием гигантских клеток инородных тел, но без значимого местного воспаления и полной инволюцией реактивных явлений на имплантаты. Показано, что характер и скорость биодеградации ПГА зависят от их химической структуры, формы и массы изделия, а также структуры поверхности и места имплантации. Разрушение происходит медленно (в сравнении с другими биполимерными разрушаемыми имплантируемыми материалами) и без резкого падения прочностных свойств изделий, на начальных этапах главным образом с поверхности изделий, и последующим постепенным разрушением всего имплантата, сопровождающимся замещением на дифференцированную ткань. Изделия из ПГА устойчивы к воздействию биологических сред и пригодны для функционирования in vivo в течение периода от нескольких месяцев до года и болееThe present review summarizes the literature data on the degradation dynamics of polyhydroxyalkanoates (PHAs) in vivo and the authors’ results obtained over a more than ten years of research, which included implantation of experimental polymer items shaped as microparticles, films, filaments, and 3D constructs subcutaneously, intramuscularly, and into internal organs of animals for long periods of time. The study shows that PHA degradation is determined by the chemical structure of the polymer, the shape of the implant, and implantation site; PHA degradation is slow, occurring via humoral and cellular pathways, usually beginning on the surface of the implants, with no local defects developing or strength decreasing dramatically. PHA biodegradation involves macrophages and foreign body giant cells. PHA products are resistant to the effects of biological media and are capable of functioning in vivo for between several months and one year or longe

Biodegradation of PHA in vivo

представленном обзоре обобщены литературные данные по динамике разрушения полигидроксиалканоатов (ПГА) in vivo и собственные результаты авторов, полученные за период исследований более десяти лет в экспериментах с имплантацией животным полимерных изделий в виде микрочастиц, пленок, нитей и 3D-форм на длительные сроки, достаточные для определения периодов полуразрушения имплантатов. В биодеградации ПГА наиболее значима роль макрофагальных иммунокомпетентных клеток фагоцитирующего типа с высокой ферментативной активностью; тканевая реакция на ПГА всегда с присутствием гигантских клеток инородных тел, но без значимого местного воспаления и полной инволюцией реактивных явлений на имплантаты. Показано, что характер и скорость биодеградации ПГА зависят от их химической структуры, формы и массы изделия, а также структуры поверхности и места имплантации. Разрушение происходит медленно (в сравнении с другими биполимерными разрушаемыми имплантируемыми материалами) и без резкого падения прочностных свойств изделий, на начальных этапах главным образом с поверхности изделий, и последующим постепенным разрушением всего имплантата, сопровождающимся замещением на дифференцированную ткань. Изделия из ПГА устойчивы к воздействию биологических сред и пригодны для функционирования in vivo в течение периода от нескольких месяцев до года и болееThe present review summarizes the literature data on the degradation dynamics of polyhydroxyalkanoates (PHAs) in vivo and the authors’ results obtained over a more than ten years of research, which included implantation of experimental polymer items shaped as microparticles, films, filaments, and 3D constructs subcutaneously, intramuscularly, and into internal organs of animals for long periods of time. The study shows that PHA degradation is determined by the chemical structure of the polymer, the shape of the implant, and implantation site; PHA degradation is slow, occurring via humoral and cellular pathways, usually beginning on the surface of the implants, with no local defects developing or strength decreasing dramatically. PHA biodegradation involves macrophages and foreign body giant cells. PHA products are resistant to the effects of biological media and are capable of functioning in vivo for between several months and one year or longe

Исследование токсикологических свойств P(3HB-co-4HB) нетканых мембран в качестве экспериментальных раневых покрытий

Non-woven experimental samples of wound dressings, made from natural degradable polymers, were produced and investigated. High-porous membranes were obtained by electrostatic formation of solutions of copolymers of 3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate [P(3HB-co-4HB)]. The set of pre-clinical assessments was performed, included testing of membranes in vitro and in vivo. Study was carried out by staining of blood cells with vital fluorochromic dyes, followed by analysis of activation of platelet adhesion, the ratio of the main morphological types of erythrocytes, measurements of changes of hemoglobin content in human blood, and hemolytic activity. The general toxic effect was investigated in experiment with white mice after the intraabdominal injection of water extracts of membranes. It was established, that direct contact with membranes had no negative influence towards cells of blood and showed no toxic effects in animal experimentsИзготовлены и исследованы нетканые экспериментальные образцы раневых покрытий из природных биоразлагаемых полимеров. Мембраны получены способом электростатического формования растворов сополимера 3-гидроксибутирата-со-4-гидроксибутирата [П(3ГБ-со-4ГБ)]. Проведено комплексное доклиническое исследование, включающее тестирование мембран in vitro и in vivo. Исследование выполнено окрашиванием клеток крови витальными флуорохромными красителями с последующим анализом активации тромбицитов, количества морфологических типов эритроцитов, а также содержания гемоглобина в крови и гемолитического действия. Общетоксическое действие исследовано в эксперименте на белых мышах при внутрибрюшинном введении водных экстрактов мембран. In vitro показано, что прямой контакт с тестируемыми мембранами не оказывал отрицательного влияния на клетки крови и не проявлял токсических эффектов на животны

Production of Oriented Fibers out of Poly(Hydroxybutyrate/Hydroxyvalerate) Copolymers and Testing of Mechanical Stability under Static and Cyclic Loads

We investigated the process of production of oriented fibers by melt spinning of biodegradable hydroxybutyrate and hydroxyvalerate (PHBV) copolymers. It was revealed that temperature has a large effect on the stability of extrusion and quality of fibers, and the optimal paramter values were found. We showed that the diameter of fibers and orientation degree depend on the spinning rate which can vary in a wide range (from 2-3 to 40 m/min), not affecting the quality of fibers. We studied the extensibility and deformability of fibers at different temperatures and found the conditions allowing to produce fibers with the diameter of 0.17-0.20 mm with high mechanical characteristics (strength 306 MPa, elasticity modulus 3 GPa, elongation at break 24%), that were stable during the 3 month period of observation. We obtained and analyzed extension curves on which three areas were fixed: linear elasticity, visible deformation, totally nonreversible deformation, which is typical for the elongation curves of polymer elastomers. It was stated that the produced fibers have high mechanical stability at static and cyclic loading conditions (up to 100 MPa); in the area of linear elasticity the deformation of fibers is practically totally reversible after 1000 cycles of loading