Ученые разработали ацеллюлярные нанокомпозитные «живые» гидрогели для регенеративной медицины
Исследователи из Университета штата Пенсильвания создали биоматериал, имитирующий поведение биологических тканей, что может продвинуть регенеративную медицину, моделирование заболеваний, мягкую робототехнику и другие области.
Ранее разработанные материалы для имитации тканей и внеклеточного матрикса (ECM) имели ограничения, затрудняющие их практическое применение. Чтобы преодолеть их, команда разработала биологический «живой» материал, обладающий свойствами самовосстановления и имитирующий реакцию ECM на механическое напряжение.
Результаты опубликованы в журнале Materials Horizons.
«Мы разработали ацеллюлярный материал, который динамически имитирует поведение ECM — ключевых строительных блоков тканей млекопитающих, важных для структуры ткани и функций клеток», — сообщил автор-корреспондент Амир Шейхи.
Предыдущие версии материала — гидрогеля (сетки полимеров, богатой водой) — были синтетическими и не сочетали механическую отзывчивость с биологической мимикрией ECM.
«Материалы должны воспроизводить нелинейное упрочнение при деформации (nonlinear strain-stiffening), когда сети ECM становятся жестче под нагрузкой от физических сил клеток или внешних стимулов, а также свойства самовосстановления», — пояснил Шейхи.
Команда решила эти проблемы, создав ацеллюлярные нанокомпозитные живые гидрогели (LivGels) из «волосатых» наночастиц. Наночастицы состоят из нанокристаллов («nLinkers») с неупорядоченными цепями целлюлозы («волосами») на концах.
Эти «волосы» создают анизотропию, позволяя nLinkers динамически связываться с биополимерной матрицей из модифицированного альгината (природного полисахарида из бурых водорослей).
«Эти nLinkers формируют динамические связи внутри матрицы, которые обеспечивают поведение упрочнения при деформации (имитация реакции ECM на механический стресс) и свойства самовосстановления», — отметил Шейхи. С помощью реологических испытаний ученые измерили, как быстро LivGels восстанавливают структуру после высокой деформации.
Критически важно, что материал полностью состоит из биологических компонентов и избегает синтетических полимеров с потенциальными проблемами биосовместимости. LivGels сочетают нелинейную механику и самовосстановление без потери структурной целостности. NLinkers обеспечивают динамические взаимодействия, позволяющие точно контролировать жесткость и свойства упрочнения.
Потенциальные применения включают:
- Каркасы для восстановления и регенерации тканей в регенеративной медицине.
- Моделирование поведения тканей для тестирования лекарств.
- Создание реалистичных сред для изучения прогрессирования заболеваний.
- 3D-биопечать настраиваемых гидрогелей.
- Разработку мягкой робототехники с адаптивными механическими свойствами.
«Наши следующие шаги включают оптимизацию LivGels для конкретных типов тканей, изучение in vivo применений для регенеративной медицины, интеграцию с платформами для 3D-биопечати и исследование потенциала для динамических носимых или имплантируемых устройств», — заявил Шейхи.