Ученые разработали биоразлагаемый полимер, способный ускорять регенерацию тканей
Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Университета Авейру (Португалия) и ряда других зарубежных вузов разработали полимерный материал, сочетающий сразу два свойства, важных для дальнейшего применения в медицинских имплантатах. Он одновременно и биоразлагаемый, то есть способен со временем растворяться в организме человека, и обладает улучшенными пьезоэлектрическими свойствами – производит электрический заряд, ускоряющий регенерацию тканей.
Улучшить пьезоэлектрические свойства материала удалось за счет «примеси» из хлопьев двумерного восстановленного оксида графена. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Energy (IF: 17,881; Q1), работа поддержана мегагрантом российского правительства. Название статьи – «Улучшенный пьезореспондент и поверхностный электрический потенциал гибридных биоразлагаемых полигидроксибутиратных каркасов, функционализированных с восстановленным оксидом графена для тканевой инженерии». Что скрывается за этими сложными терминами?
– Материалы с пьезоэлектрическими свойствами сегодня очень интересны для регенеративной медицины, потому что они могут производить электрический заряд без внешнего источника электрической энергии – скажем, если материал скрутить или деформировать другим образом.
Мегагранты – программа Правительства РФ, направленная на развитие международного сотрудничества российских вузов. В рамках конкурса мегагрантов из федерального бюджета российским вузам и научным организациям выделяется финансирование на поддержку исследований по приоритетным направлениям научно-технологического развития России. По условиям конкурса руководителями таких проектов должны быть ведущие ученые с мировым именем. Учитываются научные достижения, уровень научных публикаций, опыт ведущего ученого и ключевых членов коллектива по выбранному направлению исследования. Приглашенный ученый должен сформировать в университете исследовательскую лабораторию мирового уровня.
В последнем конкурсе мегагрантов состязались 465 заявок из 57 регионов России. Участие приняли ведущие ученые из 50 стран мира совместно с 222 организациями России. Поддержку получили 43 проекта, в том числе два проекта Томского политехнического университета. Так, работы по одному из них возглавляет профессор Университета Авейру (Португалия) Андрей Холкин (индекс Хирша – 56). Он специалист мирового уровня по пьезо- и магнитоэлектрическим материалам. Практическим результатом работы по мегагранту станут новые материалы, которые за счет прямых физических воздействий или их комбинации с доставкой лекарственных средств могут быть использованы для управления ростом и дифференцировкой различных типов клеток.
Магнитоэлектрические материалы формируют заряды под воздействием внешнего магнитного поля. Электрические импульсы помогают стимулировать восстановление живых тканей, таких как костная или нервная, после травмы. Однако хорошие пьезоэлектрики, как правило, небиодеградируемые. Биодеградация – очень важное свойство для имплантата: такой имплантат не нужно извлекать после восстановления тканей, он просто распадается на безвредные составляющие. Нужно понимать, что извлечение – это новая операция, травмирование тканей и риск занесения инфекции, – говорит один из авторов статьи научный сотрудник международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Чернозем.
По внешнему виду полученный материал напоминает ткань сероватого цвета. Эта волокнистая конструкция имитирует строительные леса и называется «скаффолд». Клетки буквально заполняют ее, формируя новые ткани в месте травмы. Скаффолд (scaffolding) с английского и переводится как «строительные леса». Полимерный или другой композиционный материал, имитирующий структуру костных тканей, несет в себе заживляющие препараты и рассасывается, когда кость срастется. В мире в данный момент разрабатывают разные варианты скаффолдов. В Томском политехническом университете для них используют полиоксиалканоаты – полимеры, которые производятся бактериями.
Скаффолд для «ремонта» кости тоже может быть пористым, как и имплантат. Но для него не обязательно нужен 3D-принтер – скаффолды получают методом электроформования. Полимер выдавливают тонкой струйкой, он поляризуется в электрическом поле и осаждается на подложку. Можно изготавливать как пористые двумерные структуры, так и цилиндрические образцы или просто пленку – в зависимости от требуемого результата. Эти материалы полностью изготавливаются на оборудовании НИ ТПУ.
– Нам удалось сделать материал с очень хорошими пьезоэлектрическими свойствами, при этом биодеградируемый. В мире таких полимеров – единичные наименования, – поясняет директор исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Роман Сурменев. – За основу мы взяли доступный биоразлагаемый полимер поли-3-оксибитурат, с которым ранее уже работали. В исходный полимерный раствор добавили нанохлопья восстановленного оксида графена. Эта добавка, как мы и прогнозировали, существенно изменила молекулярный состав и структуру полимера.
У полученных гибридных скаффолдов в 9,5 раза вырос электрический заряд (потенциал) на поверхности и в 2,5 раза – пьезоэлектрический отклик по сравнению с чистым немодифицированным полимером. Также впервые были изучены пьезоэлектрические свойства самого полимера на наноуровне. По словам авторов статьи, пьезоэлектрические свойства разработанных гибридных биоразлагаемых скаффолдов превосходят пьезоотклик костной ткани человека и коллагена. Особенности пьезоматериала определяются его составом и внутренней поляризацией. Именно эти параметры определяют, какой величины заряд будет создаваться на поверхности имплантата и какой полярности – положительный или отрицательный. Как раз исследование свойств материала и подбор наилучшей молекулярной структуры и являются фронтом работ сотрудников лаборатории.
Пьезоэлектрики могут также быть пироэлектриками, то есть генерировать поверхностный заряд в ответ на колебания температуры. Датчик из пьезоэлектрического и одновременно пироэлектрического материала можно прикрепить к поверхности кожи, и он может измерять давление, температуру, пульс. Это будет прозрачная, почти незаметная наклейка, но она, тем не менее, при неполадках в организме подаст сигнал на электронное устройство самого пациента или его лечащего врача.
В дальнейшем ученые намерены исследовать, как новый материал взаимодействует с живыми клетками и тканями, чтобы в перспективе его можно было использовать для изготовления биодеградируемых имплантатов самого широкого спектра применения.
– Практическим результатом работы по мегагранту станут новые материалы, которые за счет прямых физических воздействий или их комбинации с доставкой лекарственных средств могут быть использованы для управления ростом и дифференцировкой различных типов клеток. Полученные фундаментальные знания позволят на следующем этапе использовать эти эффекты для лечения заболеваний, требующих восстановления нервной и гладкомышечной ткани и ингибирования развития опухолей, что укладывается в наши компетенции в области инженерии здоровья, – говорит Роман Сурменев.
– Материал перспективен для имплантатов в костно-тканевой инженерии, в восстановлении нервных и других жизненно важных типов тканей, – добавляет директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Андрей Холкин.
Индекс Хирша – наукометрический показатель, предложенный в 2005 году аргентино-американским физиком Хорхе Хиршем из Калифорнийского университета в Сан-Диего первоначально для оценки научной продуктивности физиков. Индекс Хирша является количественной характеристикой продуктивности ученого, группы ученых, научной организации или страны в целом, основанной на количестве публикаций и количестве цитирований этих публикаций. Для определения индекса Хирша рассматриваемые статьи располагают в порядке уменьшения числа ссылок на них. Далее из тех статей, номер которых не превосходит число их цитирований, находят последнюю. Номер этой статьи и есть индекс Хирша.