Биофизики из Красноярска вместе с томскими и немецкими коллегами с помощью плазменной обработки пленок из биополимера получили образцы, которые обеспечивают прочное сцепление полимера с клетками соединительной ткани (фибробластами) и поддерживают их рост. Результаты исследований опубликованы в журнале Material Letters.

Клетка соединительной ткани (фибробласт) мыши. ...

Клетка соединительной ткани (фибробласт) мыши. Линия 3Т3 — одна из наиболее часто используемых в биомедицинских исследованиях линий клеток. Источник изображения: http://www.microscopyu.com/staticgallery/fluorescence/3t32.html

Красноярские биофизики давно и успешно работают с полигидроксибутератом. Этот биополимер (проще говоря разлагающийся в природе пластик) — обычный продукт метаболизма бактерий. При определенных условиях (обычно, когда им плохо) микроорганизмы просто на просто накапливают в клетке полимер. Его можно выделить из бактериальной биомассы, очистить и потом использовать для самых разных нужд. Сейчас в Красноярске разрабатывают два основных направления использования природного пластика — медицина и сельское хозяйство.

Возможности медицинских применений биополимеров очень широкие. Из биополимеров делают покрытия для ран, конструкции для восстановления хрящей и суставов, ортопедические штифты, стенты, матриксы органов для трансплантологии. Во всех этих случаях важно, чтобы искусственная конструкция в теле человека взаимодействовала с окружающими ее живыми клетками. Цель подобных вмешательств очень простая. Изделие из биополимера замещает поврежденный участок ткани или органа. Со временем, благодаря биологической совместимости материала, сустав или другой участок тела восстанавливается. Но есть и сложности. Одна из них связана с тем, что в нормальном состоянии поверхность полимера не смачивается (по-научному — гидрофобна). Получается, что с одной стороны биополимер очень выгодный материал — он разлагается в окружающей среде и совместим с биологическими объектами. С другой стороны — благодаря своей гидрофобности он плохо взаимодействует с клетками организмами. Значит нужно изменить свойства поверхности! Тогда клетки смогут «прилипать» к полимеру, расти на его поверхности, и, по мере его разложения, замещать поврежденный орган.

В работе о который мы говорим, поверхность полимерных пленок обрабатывали плазменным разрядом в атмосфере чистого кислорода или аммиака. После этого оценивали способность пленок поддерживать рост фибробластов. Эти клетки формируют соединительную ткань в организме, обеспечивают транспорт химических элементов и механическую поддержку формы клетки. После плазменной обработки у полимерных пленок изменилась форма поверхности и ее заряд. Наилучшая выживаемость живых клеток наблюдалась на пленках, которые были обработаны плазмой в присутствии аммиака.

Рост клеток соединительной ткани на необра...

Рост клеток соединительной ткани на необработанной (вверху) и обработанной плазмой (внизу) пленке из биополимера. Оригинальный рисунок из статьи (Materials Letters 163 (2016) 277–280).

По словам одного из авторов работы, профессора Татьяны Воловой, сейчас есть два основных метода модификации поверхностей полимера — лазерная и плазменная обработка. «За последние годы мы научились производить биополимеры разной прочности. Делать из них разнообразные изделия биомедицинского назначения. Сейчас отрабатываем технологии модификации их поверхности. С плазмой мы только начали работать. Первые результаты обнадеживают. Мы видим, что у наших образцов изменились свойства поверхности, повысилась гидрофильность, они хорошо поддерживают рост клеток. Первые опыты были с пленками, но дальше, когда станет понятно в каких условиях можно получить максимальный эффект, будем переходить на полноценные трехмерные изделия для реконструктивной медицины — матриксы из биополимера. Что дальше? Надеемся, что в недалекой перспективе клинические испытания и использование наших изделий в повседневной практике.»

Ранее коллективу Татьяны Воловой из Института биофизики СО РАН вместе с коллегами из Сибирского федерального университета и Красноярского научного центра СО РАН на основе биоразлагаемых полимеров обработанных углекислотным лазером удалось сконструировать трехмерные гибридные биоимплантаты несущие остеобластические клетки. Результаты этих исследований были опубликованы в журнале Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition.

В работе с лазером обработке подвергались не только пленки, но и объемные конструкции (имплантаты) из биополимера предназначенные для регенеративного остеогенеза (восстановления костной ткани). В ходе исследования были подобраны такие режимы обработки, при которых можно получать механически прочные имплантаты с различной плотностью и диаметром пор. Такие свойства нужны для того, чтобы нагрузить несущую конструкцию из биополимера стволовыми клетками.

Конструкция из биополимера после лазерной ...

Конструкция из биополимера после лазерной обработки. Изображение получено с помощью электронного микроскопа. Оригинальный рисунок из статьи (Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 26:16, 1210-1228).

Стволовые или незрелые клетки уникальны тем, что из них могут получаться клетки любого органа или части тела. В работе ученые имитировали восстановление костной ткани, наблюдая за стволовыми клетками, посеянными на обработанные лазером конструкции из биополимера. Биохимические и молекулярные тесты показали, что стволовые клетки в ходе деления дифференцируются — превращаются в клетки костной ткани (остеобласты). Полученные результаты открывают возможности для клинических испытаний. В отчетном докладе в декабре прошлого года председатель Сибирского отделения РАН, академик Александр Асеев включил этот результат в число достижений сибирских ученых в 2015 году.