Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) в составе международной научной коллаборации научились управлять свойствами биоразлагаемых полимерных скаффолдов (каркасов) для регенерации ткани. Они представили универсальный способ настройки свойств скаффолдов с добавлением глицина.
Исследователям удалось оптимизировать параметры изготовления каркасов и добиться увеличения пьезоэлектрического отклика в 14 раз. Подобные материалы можно будет использовать для создания умных медицинских изделий для регенерации тканей — например, костных имплантов, раневых повязок, кондуитов для восстановления нерва.
Скаффолды — конструкции из полимерных материалов — активно применяются в регенеративной медицине для восстановления, сохранения и улучшения функций тканей. Они должны быть биосовместимыми, биоразлагаемыми и иметь механические свойства, близкие живым тканям. При этом важно, чтобы полимерный каркас имитировал структуру соединительной ткани, поддерживающей клетки.
Особый интерес представляет, благодаря исключительной биосовместимости и биоразлагаемости, полимер полигидроксибутират. Но он демонстрирует довольно слабый пьезоэлектрический отклик. Для улучшения его свойств без ущерба для биосовместимости применяют различные нанонаполнители. Так, кристаллы β-глицина перспективны в качестве эффективного биосовместимого модификатора пьезоэлектрического отклика для полимерных волокнистых скаффолдов, изготовленных методом электроформования (электроспиннинга).
«Глицин является компонентом многих белков в организме человека и играет решающую роль в синтезе многочисленных биомолекул, включая креатин, нуклеиновые кислоты, РНК, ДНК и другие. Кроме того, он хорошо известен своими противовоспалительными, антиоксидантными и иммуномодулирующими эффектами в нескольких типах клеток. Также глицин действует как нейротрансмиттер, модулируя нейрональную активность и контролируя двигательные функции. К тому же, он положительно влияет на модуляцию роста, облегчение мышечного тонуса, синтез коллагена, восстановление тканей и замедление мышечной дегенерации», — отмечает одна из авторов статьи, инженер-исследователь Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» Лада Шлапакова.
Целью исследования стало повышение слабого пьезоэлектрического отклика у электроформованных матриц из полигидроксибутирата путем включения однородно распределенных кристаллов β-глицина. Для этого раствор полимера смешивали с водными растворами глицина с различной концентрацией таким образом, чтобы содержание глицина составляло 5, 15, 20 и 30% относительно массы полимера. Затем методом электроспиннинга были изготовлены образцы каркасов. Были исследованы морфологические и термические свойства полученных скаффолдов, их фазовый и химический состав и кристаллическая структура. Также была проведена оценка количества высвобожденного глицина и пьезоэлектрических коэффициентов волокон.
По итогам экспериментов удалось оптимизировать параметры электроспиннинга и приготовления растворов, чтобы добиться получения волокон с заданной морфологией, кристаллической структурой и пьезоэлектрическим откликом. Используя пьезоэлектрическую силовую микроскопию, исследователи получили распределение пьезоэлектрического ответа в нескольких точках внутри волокон скаффолдов. Им удалось добиться 14-кратного увеличения среднего латерального коэффициента пьезоэлектрического отклика для матриц из полигидроксибутирата с 30% массового содержания глицина.
«Кратно усиленный пьезоэлектрический отклик глицинсодержащих скаффолдов призван обеспечить электростимуляцию восстановления биологических тканей в контролируемой терапевтической дозировке. Кроме того, включение глицина создает поры на поверхности полимерных волокон, придавая материалу неоднородную поверхность, а также значительно повышает гидрофильность скаффолдов и поверхностную энергию. Эти свойства повысят клеточный отклик на поверхности материала, что планируется подтвердить в дальнейших биологических испытаниях», — поясняет директор Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» Роман Сурменев.
По словам ученых, это исследование представляет как фундаментальный, так и практический интерес. В частности, был представлен универсальный способ управления в широком диапазоне одновременно химическими, поверхностными и пьезоэлектрическими свойствами скаффолдов, что будет способствовать «настройке» свойств пьезоэлектрических материалов для широкого спектра применений.
«При этом электрическая стимуляция может запускаться внешними физическими факторами, например ультразвуковой терапией. Дальнейшая модификация скаффолдов магнитными наночастицами позволит активировать стимуляцию удаленно посредством неинвазивного магнитного поля. На данный момент мы сфокусированы на дальнейшей модификации скаффолдов другими биологическими молекулами для придания им дополнительной функциональности, в частности антибактериального и антиоксидантного действия, которые управляются безопасными физическими стимулами, включая ближнее инфракрасное излучение и магнитное поле», — подытожила руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» Мария Сурменева.
В проекте принимают участие сотрудники Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, Университета Дуйсбург-Эссен, Шанхайского института керамики Китайской академии наук, ТГУ, Кёльнского университета. Исследование поддержано грантом РНФ (№ 25–13-20058). Результаты опубликованы в Advanced Composites and Hybrid Materials (Q1, IF: 21.8).
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
