Сотрудники Томского политехнического университета вместе с коллегами из Технологического института Карлсруэ (Германия) разработали программное обеспечение Quanfima, позволяющее анализировать структуру скаффолдов — полимерных каркасов, которые служат основой для выращивания новых органов и тканей. В отличие от существующих аналогов, ученые выложили новое программное обеспечение в открытый доступ. Кроме того, Quanfima позволяет анализировать разные виды биоматериалов: полимерные скаффолды или гибридные полимерные скаффолды, в составе которых находится микродисперсная неорганическая фаза. Результаты исследований опубликованы в статье журнала PLoS One (ИФ 2,766; Q1). О проекте также рассказали журналисты агентства РИА Новости.
Фото: изображения различных конфигураций полимерных волокон скаффолда: a) с выровненной структурой (A); b) с частично-выровненной (M); c) со случайной ориентацией волокон (D); d) центральный срез в YZ-плоскости волокон, обработанный различными способами (детали приведены в статье).По словам одного из авторов исследования, директора научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ Романа Сурменева, композитные трехмерные скаффолды, представленные различными материалами с волокнистой структурой или содержащие различные добавки, оказывают положительный эффект на процессы регенерации различных тканей. Сейчас существует ряд методов визуализации для анализирования биоматериалов, например, сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, микрокомпьютерная томография и другие. Они позволяют получать данные в виде изображения или последовательности изображений. Однако полученная информация должна обрабатываться с использованием специализированных методов анализа изображений. При этом анализ волокнистой структуры композитных материалов, особенно в трехмерном пространстве, остается сложной задачей из-за различного диаметра волокон (от микро- до наноразмеров) и их состава.
«Необходимость разработки подобного программного обеспечения была обусловлена отсутствием бесплатного продукта, позволяющего проводить анализ волокон с точки зрения их ориентации в пространстве относительно выбранного базиса и размера. При этом у ряда зарубежных научных групп есть коммерческие продукты, чей функционал схож с разработанной нами программой, однако они не находятся в открытом доступе»,
— говорит ученый.
Добавим, по словам исследователя, работа велась в составе международной научной группы. Так, создавал ПО на основе языка программирования Python сотрудник технологического института Карлсруэ Роман Шкарин. А политехники, в свою очередь, предоставили модельные материалы для исследований — полимерный скаффолд и гибридный полимерный скаффолд. Программный пакет Quanfima, по словам разработчиков, основан на нескольких широко распространенных продуктах, разработанных для анализа данных, например, NumPy, SciPy, scikit-image, VIGRA, Pandas и Statsmodels. В новом ПО ученые постарались объединить их возможности.
«В настоящее время ПО Quanfima ("Quantitative Analysis of Fibrous Materials") разработано и может быть использовано по назначению. Продукт можно скачать по ссылке. Наша программа позволяет анализировать параметры, которые являются ключевыми для любого биоматериала при использовании в регенеративной медицине, — рассчитать ориентацию волокон полимерных скаффолдов в пространстве, их размер (а также размер частиц, входящих в их состав, в случае композитных волокон), диаметр и пористость скаффолдов.
Это облегчает трехмерную визуализацию волокнистых биоматериалов. Кроме того, у программного продукта удобный и простой интерфейс, облегчающий визуализацию и статистический анализ. Также Quanfima может выполнять как 2D, так и 3D-анализ данных, что выгодно отличает его от аналогов», — уточняет Роман Сурменев.
Фото: алгоритм работы ПООтметим, в рамках исследования ученые уже протестировали Quanfima, проанализировав данные рентгеновской томографии, полученные для волокнистых скаффолдов на основе поликапролактона, а также композитных скаффолдов на основе поликапролактона с добавлением биоактивных микрочастиц модифицированного гидроксиапатита — кремнийсодержащего гидроксиапатита.
«Программа позволила нам установить размер микровключений в виде микрочастиц или агломератов частиц модифицированного гидроксиапатита. Полученные результаты показывают, что разработанное программное обеспечение поможет другим ученым, которые проводят аналогичные нашим исследования, анализировать волокнистую структуру любых скаффолодов, в том числе и гибридных», — подчеркивает ученый, уточняя, что в планах разработчиков, — дальнейшее усовершенствование программного продукта с расширением функционала.
Справка:
Создание скаффолдов и их исследования — перспективное направление в биомедицине. Скаффолды представляют собой материалы из тонких полимерных нитей, переплетенных между собой. Их размещают в месте костного дефекта — например, перелома — в качестве каркаса для новых костных клеток. Новая костная ткань прорастает сквозь скаффолд и заполняет место перелома. Когда кость полностью восстанавливается, полимер растворяется в организме. Скаффолды из различных материалов уже внедряются в медицинскую практику, однако оставляют для исследователей еще много вопросов.