НАУЧНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЦЕНТРА

Международный учебно-научный Центр трансфера фармацевтических и биотехнологий ведет научные разработки по следующим основным направлениям:

• Разработка систем доставки активных фармацевтических веществ/ ингредиентов (АФИ) с модифицированной кинетикой высвобождения, улучшенной биодоступностью.
• Разработка изделий медицинского назначения, таких как медицинских сорбционных материалов, материалов – имплантатов и носителей для клеток млекопитающих, включая микрочастицы/ микроносители для их суспензионного культивирования.
• Развитие теории и технологии сверхкритических флюидов и получение различных видов аэрогелей: ультралегких аэрогелей в качестве теплоизоляционных материалов и диэлектриков для микроэлектроники, материалов для лазерных приборов; кремневые и органические аэрогели, армированные углеродные нанотрубки (УНТ) для тепло- и шумоизоляции.
• Математическое моделирование наноструктурированных высокопористых материалов тепло- и массообменных процессов в них, физико-химических свойств и прочностных характеристик материалов.
• Развитие параллельных высокопроизводительных вычислений для моделирования наноструктур.
• Проектирование и изготовление уникального нетипового оборудования для проведения научных исследований и наработки пробных партий продукции.

Разнообразие активных фармацевтических веществ требует фактически индивидуального подхода при поиске технологии, позволяющей изготовить лекарственную форму с модифицированной кинетикой высвобождения, улучшенными растворимостью и/или биодоступностью. Сотрудники Центра успешно решают такие задачи, используя такие технологические приемы, как:

• Адсорбция активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) в нанопористую матрицу-носитель в виде монослоя, что позволяет добиться стабилизации АФИ внутри матрицы в аморфном состоянии. Подбор матрицы, обеспечивающей высокую сорбционную емкость за счет присутствия в матрицы функциональных групп. Исследования, проводимые сотрудниками Центра, позволили наработать значительную экспериментальную базу и определить влияние композиционного состава матрицы, параметров процесса адсорбции АФИ в среде сверхкритического диоксида углерода на степень его загрузки и состояние (кристаллическое или аморфное).
• Микронизация АФИ методом быстрого расширения сверхкритического раствора с использованием форсунок (технология RESS). Следует отметить, что для некоторых из перечисленных технологий применялось не только современное оборудование от европейских лидеров, но и собственные разработки сотрудников центра, в том числе установка для получения ультрадисперсных порошков (RU 2513623), установка для сублимационной сушки биологически активных веществ (RU 98672).

Основной лекарственной формой для получаемых микронизированных частиц является ингаляционная форма.

• Использование липофильных вспомогательных веществ (ЛВВ) и их комбинаций в качестве систем доставки, при которых АФИ полностью или частично растворено в ЛВВ. Такие системы доставки могут быть включены в эмульсионные формы, капсулы, суппозитории и гранулы. Разнообразие ЛВВ позволяет разработать так называемые самоэмульгирующиеся композиции, которые при растворении готовой лекарственной формы или, как в случае суппозиториев, при плавлении самопроизвольно образуют микро и наноэмульсии, легко усваиваемые организмом.
• Для модификации кинетики высвобождения применяется технология нанесения пленочных покрытий в псевдоожиженном слое, а также технология инкапсуляции АФИ распылением в биодеградируемую гидрофобную полимерную матрицу, например, в полимолочную кислоту и ее сополимеры.

Высокий уровень научных разработок подтверждается публикациями по данной тематике, успешно защищенными диссертационными работами, наградами международных и российских выставок.

Сотрудники Центра ведут разработки по получению материалов, которые относятся к материалам медицинского назначения:

• Сорбенты на основе аэрогелей, полученных из биодеградируемых полимеров природного происхождения, таких как альгинат, лигнин, крахмал, протеины и другие. Высокая сорбционная емкость таких материалов (30-60 г воды на 1 г сорбента) обусловлена их высокой пористостью и большим количеством мезопор.
• Матриксы-носители различной формы для суспензионного и адгезивного культивирования клеток лекопитающих. Сотрудниками Центра наработана широкая линейка как на основе полимеров природного происхождения, так и на основе синтетических полимеров, таких как сополимеры полимолочной кислоты, поливиниловый спирт. В качестве основных технологий для формирования матриксов сотрудниками были использованы технологии криоструктурирования, методы двойного эмульгирования, сверхкритической сушки. Некоторые образцы были успешно протестированы на токсичность, была исследована их биодеградация in-vitro.

Стоит отметить, что данные разработки лежат в сфере приоритетных направлений, выделенных правительством РФ в рамках программы развития фармацевтической и медицинской промышленности.

Термин аэрогели, которые буквально можно перевести как воздушные гели, прочно вошел как в научное сообщество, так и в обиход обычных людей. Все больше телевизионных репортажей и научно-популярных статей выходит в свет и все больше готовых решений на основе аэрогелей доходит до реального потребителя. Международный учебно-научный центр трансфера фармацевтических и биотехнологий по праву может считаться одним из лидеров в области разработок с использованием аэрогелей на территории Российской Федерации.
Большой интерес представляют последние разработки сотрудников Центра:

• Ультралегкие аэрогели на основе диоксида кремния, которые представляют собой прозрачные материалы с удельной площадью поверхности до 1000 м2/г. Его плотность может достигать значений 0.003 г/см3, что всего втрое больше, чем плотность воздуха. Область применения таких материалов – теплоизоляционные материалы и диэлектрики для микроэлектроники, материалы для лазерных приборов.
• Аэрогели на основе биоорганических полимеров, используемые как носители лекарственных веществ для создания пролонгированных лекарственных форм.
• Кремниевые и органические аэрогели, армированные углеродными нанотрубками, для применения в качестве датчиков, конденсаторов высокой емкости. Последние исследования сотрудников Центра показали, что внедрение углеродных нанотрубок в кремниевые аэрогели и аэрогели на основе альгината повышает их механическую прочность, увеличивает сорбционную емкость, проводимость электрического тока.

СЭМ и виртуальная структура кремниевых аэрогелей с внедренными углеродными нанотрубками
• Кремнийорганические аэрогели, сочетающие в себе преимущества органических и кремниевых аэрогелей, что позволяет добиться достаточно высокой удельной площади поверхности, снизив при этом хрупкость аэрогеля, что характерно для кремниевых аэрогелей. Сотрудники Центра используют кремнийорганические аэрогели не только как самостоятельные сорбенты и изоляционные материалы, но и как основу для получения кремний-углеродных высокопористых композитов пиролизом.

Некоторые разработки, хотя и не относятся к области фармацевтических и биотехнологий, являются перспективными и имеют потенциально высокую комерциализуемость.

Математическое моделирование

Методы математического моделирования успешно применяются во всем мире в научных разработках, поскольку позволяют прогнозировать протекания различных процессов без проведения полномасштабного эксперимента, тем самым сокращая материальные и временные затраты на разработку.


Кремниевый аэрогель и его виртуальная структура

Сотрудники Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий не только успешно владеют современными программными пакетами крупнейших мировых лидеров в области моделирования, но и создают собственные программные модули и отдельные программные комплексы для решения узкоспециализированных задач, проведения многоуровневого моделирования сложных процессов. Для ускорения вычислений развиваются такие современные технологии параллельных вычислений как Open MP, MPI, Nvidia Cuda. Сотрудниками Центра за годы его работы зарегистрированы десятки программ для ЭВМ и баз данных.

Математическое моделирование

Инновационные разработки требуют в большинстве случаев специального аппаратурного оформления, которое отсутствует у производителей стандартных аппаратов. Иногда для организации требуемых условий возможно провести модификацию стандартных установок, в других случаях – требуется поиск индивидуальных решений. Модификация стандартного и проектирование нетипового оборудования под конкретные научные исследования – еще одно направление деятельности Центра. При разработке сотрудниками определяются основные габаритные размеры проектируемого оборудования, осуществляется выбор конструкции из нескольких потенциально возможных, проводятся прочностные расчеты и осуществляется поиск решений для выявленных проблемных участков, прорабатываются соответствующие нормативные документы, регулирующие безопасность работы разрабатываемого оборудования, разрабатываются системы автоматизации. Центр имеет контакты с различными организациями, которые в рамках договорных отношений могут изготовить, провести испытания отдельных элементов оборудования и разработать конструкторскую документацию.


Реактор высокого давления, разработанный сотрудниками Центра
Проекты за последние 5 лет

Федеральные Целевые Программы

2013 г.
Разработка научных основ получения твердых растворимых форм плохо растворимых лекарственных соединений путем их внедрения в аэрогельную матрицу с использованием технологии сверхкритических флюидов

2014-2015 гг.
«Разработка модульной программы дополнительного профессионального образования «Качество фармацевтической и биофармацевтической продукции через проектирование и контроль» для переподготовки и повышения квалификации специалистов фармацевтической отрасли»

2014-2016 гг.
Создание программно-вычислительного комплекса для компьютерного моделирования наноструктурных сорбентов на основе органических и неорганических аэрогелей, в том числе с внедренными углеродными нанотрубками, и процессов адсорбции в них.

2016-2018 гг.
Минобрнауки и SNSF (Швейцария)
Улучшенные функционализированные кремневые аэрогели и полученные на их основе углеродные композиты: экспериментальные исследования и численное моделирование.

2016-2018 гг.
Минобрнауки и Еврокомиссия Горизонт 2020
Новое поколение нанопористых органических и гибридных аэрогелей для промышленного применения: от лаборатории к промышленному производству.

РФФИ

2012 г.
РФФИ – DFG (Германия)
Развитие теоретических подходов к моделированию новых пористых материалов с использованием высокопроизводительных параллельных вычислений.

2013-2014 гг.
РФФИ – DFG (Германия)
Изучение фазовых переходов органических веществ из аморфной формы в кристаллическую в пористых матрицах-носителях (аэрогелях).

2015-2016 гг.
РФФИ – DFG (Германия)
Адсорбционное осаждение полярных органических веществ в биополимерных аэрогелях из трехкомпонентных сверхкритических жидких смесей.

РНФ

2016-2018 гг.
Композиционные системы на основе амфифильных полимеров, содержащих фотосенсибилизаторы и динитрозильные комплексы железа для антимикробной фотодинамической терапии.