Новый биоматериал для регенеративной медицины: ученые разрабатывают бесклеточные нанокомпозитные живые гидрогели

В новой работе, подготовленной исследователями из Пенсильванского государственного университета для журнала Materials Horizons, был продемонстрирован биоматериал, способный досконально имитировать особенности поведения естественных биологических тканей. Открытие представляет интерес для специалистов в области технологий регенеративной медицины, моделирования течения заболеваний, а также расширяет горизонт возможностей современной мягкой робототехники.

Созданные до настоящего времени материалы для имитации живых тканей и внеклеточных матриц (ВКМ) — биологического каркаса из белков и молекул, поддерживающего ткани и клетки — имели ряд ограничений, препятствовавших их практическому применению. Чтобы преодолеть некоторые из этих ограничений, исследователи разработали основанный на принципах естественной биологии, «живой» материал, который обладает свойствами самовосстановления и достоверно имитирует реакцию естественной ВКМ на механическое напряжение.

«Мы разработали бесклеточный — или ацеллюлярный — материал, динамически имитирующий поведение ВКМ, являющейся ключевыми строительными блоками тканей млекопитающих и обладающих решающим значением для формирования структуры тканей и функций клеток», — Амир Шейхи, доцент кафедры химической инженерии и завкафедрой ранней карьеры биоматериалов и регенеративной инженерии имени Дороти Фоэр Хак и Дж. Ллойда Хака, один из авторов работы.

По словам исследователей, предыдущие версии их материала — гидрогель, или водонасыщенная полимерная сеть — были синтетическими и не имели желаемого сочетания механической отзывчивости и достоверности биологической имитации ВКМ.

«В частности, подобные материалы должны воспроизводить нелинейное упрочнение при деформации, когда сети ВКМ становятся жестче под воздействием физических сил, оказываемых клетками или внешними стимулами. Нелинейное упрочнение при деформации важно для обеспечения структурной поддержки и содействия клеточной реакции. Важной задачей было открытие верного алгоритма функции самовосстановления, необходимой для формирования и выживания тканей. Предыдущие синтетические гидрогели испытывали трудности с балансировкой сложности материала, биосовместимости и механической имитации ВКМ», — Шейхи.

Решением обозначенных ограничий стало создание аклеточного нанокомпозитного живого гидрогеля (LivGels), изготовленного из «волосатых» наночастиц. Они состоят из нанокристаллов, или nLinkers, с неупорядоченными цепочками целлюлозы — «волосами» — на концах.

Такие волоски вводят анизотропию, что означает, что nLinkers приобретают разные свойства в зависимости от их направленной ориентации и могут динамически сообщаться с биополимерными сетями. В данном случае наночастицы связывались с биополимерной матрицей модифицированного альгината — натурального полисахарида, найденного в бурых водорослях.

«nLinkers образуют динамические связи внутри матрицы, регулирующие параметры жесткости при деформации, то есть имитируют реакцию ВКМ на механическое напряжение, а также параметры самовосстановления после повреждений. Мы использовали реологическое тестирование, которое измеряет, как материал ведет себя под воздействием различных нагрузок, чтобы оценить, как быстро LivGels восстанавливают свою структуру после сильной деформации. Такой подход к дизайну позволил точно настроить механические свойства материала, чтобы они соответствовали свойствам натуральных ВКМ», — Шейхи.

Отмечается также, что материал состоит полностью из биологических материалов, что позволяет избежать потенциальных проблем биосовместимости, как в случае использования синтетических полимеров. Как утверждают исследователи, LivGels преодолевают ограничения ранних подобных разработок, достигая двойных характеристик нелинейной механики и самовосстановления, не жертвуя при этом структурной целостностью.

Это открывает возможность для точных динамических взаимодействий, позволяя контролировать жесткость и свойства упрочнения при деформации. В целом, новый подход к дизайну преобразует гидрогели из объемных, статических в динамические, с достаточной степенью достоверности имитирующие ВКМ.

Разработка несет в себе широкий потенциал для медицинского применения, включая создание восстановительных каркасов для регенерации живых тканей, моделирование поведения тканей для тестирования лекарств и создание реалистичных условий для изучения различных стадий заболевания. Исследователи отмечают, что материал также может быть использован в 3D-биопечати или при создании мягкой робототехники с адаптивными механическими свойствами.

«Следующим шагом для нас станет оптимизация LivGels для конкретных типов тканей, изучение приложений для регенеративной медицины in vivo, интеграция LivGels с платформами 3D-биопечати и исследование потенциальных возможностей в динамических носимых или имплантируемых устройствах», — Шейхи.

Источник: Вслух