Разработан биоактивный материал для инженерии биологических тканей

Исследователи из МФТИ и Курчатовского института создали новый материал – композитный гидрогель с полилактидными частицами, который имитирует свойства внеклеточного матрикса. Учёные также изучили механические свойства получившегося геля и его способность выделять в среду биоактивные молекулы. Исследование опубликовано в международном журнале Biomimetics.

В нашем организме существует внеклеточный матрикс — комплекс макромолекул, обеспечивающий механическую поддержку клеток и транспорт химических веществ. Для регенеративной медицины и тканевой инженерии врачам и исследователям нужны материалы, которые могли бы имитировать биологические соединения. Внеклеточный матрикс могут имитировать гидрогели — сшитые полимеры, способные впитывать и удерживать большое количество воды. Однако синтетически созданные гидрогели часто не похожи по своим механическим свойствам на биологические ткани. Исследователи из МФТИ и Курчатовского института придумали новый гидрогель, который решил обе эти задачи. За основу были взяты коллагеновый и хитозановый гидрогели, которые часто используются для биомедицинских целей.

Для того, чтобы добиться поставленной цели, исследователи добавили полилактидные частицы в оба вида гидрогелей. Полилактид или полимолочная кислота – биоразлагаемый полимер, сделанный из кукурузного крахмала и сахарного тростника. Это экологичный материал, который используется в разных областях: от биомедицины до упаковки товаров. Из него можно сделать пористые частицы диаметром до 100 микрометров, которые потенциально могут стать наполнителями для других материалов. С добавлением частиц получились композитные гидрогели, которые отличаются от базовых повышенными механическими характеристиками, соответствующие более упругим тканям нашего организма.

С помощью продвинутых методов электронной и ультразвуковой микроскопии исследователи обнаружили, что полилактидные частицы имеют сферическую форму, большую пористость и равномерно распределяются в объёме гидрогеля. При механических испытаниях нового материала оказалось, что введение полилактидных частиц повышает модуль упругости гидрогеля более чем в 10 раз. Это означает, что материал стал лучше сопротивляться давлению. При этом новый гель сохранял свои свойства эластичности.

«Наш новый материал может быть использован в медицине, как инъектируемая масса, заполняющая полости в организме. При поражении тканей часто нужен гель, который мог бы помочь организму зарастить поражённую область. В пульмонологии подобный гель может помочь при лекарственно-устойчивом туберкулёзе – он может “прижать” лёгкое, а потом разложиться. Так как наши гели сделаны из коллагена и хитозана, то гель биоразлагаем и не наносит вред, оказываясь внутри организма. С помощью природных и синтетических полимеров мы смогли создать материал, который совместим с биологической средой и имитирует естественные ткани организма», — рассказывает о практическом применении Тимофей Григорьев, один из руководителей исследования, учёный НИЦ «Курчатовский институт», директор ИНБИКСТ МФТИ.

Также в этой работе исследователи изучали как частицы могут высвобождать белково-хромофорические комплексы в среде гидрогелей. В частности, они смотрели на то, как в композитном гидрогеле поведёт себя C-фикоцианин – биоактивная молекула с антиоксидантными, антивоспалительным и иммуностимулирующими эффектами. С-фикоцианин добавили в полилактидные микрочастицы и при помощи ультрафиолетовой спектроскопии измерили профиль выделения в гидрогель. Оказалось, что С-фикоцианин высвобождается достаточно устойчиво, что позволит использовать материал в медицине.

«Мы смогли собрать действительно междисциплинарную команду, где химики и физики работали с биотехнологами. Мы совместили наши компетенции, наша команда физиков и химиков с помощью полилактида – синтетического материала, который используется много где,даже в 3D печати и упаковке – изменили механические свойства обычного гидрогеля и сделали его более упругим, добавив всего 10-15% полилактида в материал. Коллеги-биотехнологи сделали новый материал биоактивным – использовали свойства геля для пролонгированного выделения фикоцианина. Совмещая физику, химию и биологию мы сделали новый продукт, помогающий медицине», — рассказывает Тимофей Григорьев о коллаборации в работе.