Ученые Курчатовского института разработали новый материал для инженерии биологических тканей

Исследователи из Курчатовского института и МФТИ создали композитный гидрогель с полилактидными частицами, имитирующий свойства внеклеточного матрикса. Ученые изучили его механические свойства и способность выделять в среду биоактивные молекулы. Исследование опубликовано в международном журнале Biomimetics.

Внеклеточный матрикс — комплекс макромолекул, обеспечивающий механическую поддержку клеток и транспорт химических веществ. Для регенеративной медицины и тканевой инженерии врачам и исследователям нужны материалы, способные имитировать биологические соединения. Для внеклеточного матрикса это могут быть гидрогели — сшитые полимеры, способные впитывать и удерживать большое количество воды.

Однако синтетически созданные гидрогели по своим механическим свойствам не похожи на биологические ткани. Исследователи из МФТИ и Курчатовского института смогли создать материал с необходимыми свойствами. За основу были взяты коллагеновый и хитозановый гидрогели, которые часто используются для биомедицинских целей.

Чтобы достичь поставленной цели, исследователи добавили в оба вида гидрогелей полилактидные частицы. Полилактид, или полимолочная кислота, — биоразлагаемый полимер, сделанный из кукурузного крахмала и сахарного тростника. Это экологичный материал, применяющийся в разных областях: от биомедицины до упаковки. Из него можно сделать частицы диаметром до 100 микрометров и использовать их в качестве наполнителей для других материалов.

С помощью современных методов электронной и ультразвуковой микроскопии исследователи обнаружили, что полилактидные частицы имеют сферическую форму, большую пористость и равномерно распределяются в объеме гидрогеля. Их добавление позволило исходным гидрогелям приобрести механические характеристики, соответствующие тканям нашего организма. При испытаниях нового материала оказалось, что его упругость выросла более чем в 10 раз. Это означает, что материал стал лучше сопротивляться давлению, при этом сохранив свою эластичность.

"Наша разработка может быть использована в медицине как инъектируемая масса, заполняющая полости в организме. При поражении тканей часто нужен гель, который мог бы помочь организму зарастить пораженную область, — рассказывает один из руководителей исследования Тимофей Григорьев, заместитель руководителя Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий, директор ИНБИКСТ МФТИ. — В пульмонологии подобный гель может помочь при лекарственно-устойчивом туберкулезе: сначала “прижать” легкое, а потом разложиться. Так как наши гели сделаны из коллагена и хитозана, они биоразлагаемы и не наносят вред, оказываясь внутри организма. С помощью природных и синтетических полимеров мы смогли создать материал, который совместим с биологической средой и имитирует естественные ткани человека".

Также в этой работе исследовались способности полилактидных частиц высвобождать в среде гидрогелей белково-хромофорические комплексы. В частности, ученые выясняли, как в композитном гидрогеле поведет себя C-фикоцианин — биоактивная молекула с антиоксидантным, антивоспалительным и иммуностимулирующим эффектами. Вещество добавили в полилактидные микрочастицы и при помощи ультрафиолетовой спектроскопии измерили профиль выделения в гидрогель. Оказалось, что С-фикоцианин высвобождается достаточно устойчиво, что важно для медицинского использования материала.

"Мы смогли собрать действительно междисциплинарную команду, где химики и физики работали с биотехнологами. Наши физики и химики изменили механические свойства обычного гидрогеля — повысили упругость, добавив 10–15% полилактида. А коллеги-биотехнологи сделали новый материал биоактивным — использовали свойства геля для пролонгированного выделения фикоцианина. Совмещая физику, химию и биологию, мы создали новый продукт, нужный для медицины", — комментирует Тимофей Григорьев.