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 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.


— 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.


— 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.


— 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 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.


— Шейхи.