Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Университета Авейру (Португалия) и ряда других зарубежных университетов разработали полимерный материал, сочетающий сразу два свойства, важных для дальнейшего применения в медицинских имплантатах. Он одновременно и биоразлагаемый, то есть способный со временем растворяться в организме человека, и обладает улучшенными пьезоэлектрическими свойствами — производит электрический заряд, ускоряющий регенерацию тканей.
Фото: модель материала 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.
«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. Электрические импульсы помогают стимулировать восстановление живых тканей, таких как костная или нервная, после травмы. Однако хорошие пьезоэлектрики, как правило, не биодеградируемые. Биодеградация — очень важное свойство для имплантата: такой имплант 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 «скэффолд». Клетки буквально заполняют ее, формируя новые ткани в месте травмы.
«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 скэффолдов 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 скэффолдов превосходят пьезоотклик костной ткани человека и коллагена.
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 применений.
«Материал перспективен для имплантатов в костно-тканевой инженерии, восстановления нервных и других жизненно важных типов тканей», — добавляет директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Андрей Холкин.
Справка:
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 поддержку получили два проекта Томского политеха. 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.