Полимерная архитектура: как ученые строят основу для будущих органов
Способ изготовления материалов со сложной геометрией из полимерных волокон разработала группа исследователей из Курчатовского института, МФТИ и Института электрофизики и электроэнергетики РАН. Разработанный метод принципиально позволяет создавать аналоги экстрацеллюлярного матрикса для тканевой инженерии. 30 сентября сообщение об этом опубликовала пресс-служба Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».
Статью авторского коллектива о проделанной работе также опубликовал Chemical Engineering Journal.
В основе способа лежит метод электроспиннинга (электроформования). Полимерный раствор на кончике капилляра вытягивается в тонкое волокно, которое под действием электрического поля дрейфует на подложку (приемный коллектор). Будучи осажденными, полимерные волокна формируют готовый нетканый материал.
Из волокон возможно сформировать пространственный каркас. На созданый каркас возможно «заселить» стволовые клетки пациента. Таким образом формируется «выращенный» орган, подходящий для пересадки.
Одной из особенностей органов является их сложная структура. Так, обычный кровеносный сосуд состоит из нескольких слоев волокон. Внутренний, непосредственно соприкасающийся с кровью, ориентирован вдоль потока; средний выстроен в виде кольцевой оплетки. Такая структура позволяет переносить пульсовую нагрузку и транспортировать поток крови с минимальным гидравлическим сопротивлением. Формирование такой структуры требует выстраивать и контролировать укладку каждого волокна.
«Сейчас в нашей конструкции на подложке — четыре электрода. Мы можем контролируемо управлять ориентацией слоев волокон, вплоть до монослоя. Увеличивая количество электродов, меняя их расположение, можно задавать все более и более сложную геометрию, контролируя в буквальном смысле положение каждого волокна», — пояснила начальник отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Ксения Луканина.
В ближайших планах группы работа с объемными структурами. По словам заведующего лабораторией электрогидродинамических систем Игоря Реброва, будет реализована задача устойчивого формирования гиперболоидных структур (так построена Шуховская башня) и цилиндрических каркасов с продольно-поперечной структурой различных размеров и плотности.
Одной из проблем в использовании метода является ограничение по толщине формируемого каркаса. При осаждении определенного количества заряженных волокон исчезает осаждающая разность потенциалов и дальнейшее формирование арматурного каркаса прекращается. Группа предложила способ управления сменой полярности прилагаемого поля. В результате на диэлектрической подложке сохраняется разность потенциалов и процесс формирования объемной структуры может быть продолжен.
Как пояснил заместитель директора НБИКС по научной работе Тимофей Григорьев, разработанная технология занимает промежуточное положение между классическим способом быстрого формирования неупорядоченного нетканого материала и методом стабилизированного электроспиннинга, когда формирование структуры идет поволоконно и очень медленно.
Направления дальнейших исследований — формирование более сложных природоподобных структур, работы по их заселению стволовыми клетками, подготовка к формированию «рукотворных» донорских органов с приемлемой совместимостью.
