Российские исследователи выяснили, как ведут себя волокнистые материалы при натяжении. Это необходимо для того, чтобы изучить свойства вещества, которое поможет тканям организма регенерировать. Дело в том, что при деформации меняется плотность их упаковки и толщина нитей. Исследование позволит подбирать оптимальные условия для роста и дифференцировки клеток, а это поможет ускорить процесс регенерации. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Polymers.
Ткани человека состоят из множества клеток, которые окружены внеклеточным матриксом. Эта структура служит средой для жизни, миграции, размножения и дифференцировки клеток. По большей части матрикс состоит из гликопротеинов и протеогликанов — молекул, которые содержат белковую и углеводную части. При этом в разных тканях матрикс имеет разный химический состав, плотность и текстуру. Например, в объемном матриксе, где находится много коллагена, будут развиваться клетки соединительной ткани, а в среде, богатой минералами, — структурные элементы кости.
Однако матрикс в разных тканях еще и регенерирует с разной скоростью. Например, нервная ткань, сердечная мышца и соединительная ткань в сухожилиях восстанавливаются плохо из-за особенностей матрикса. Именно поэтому ученые стремятся разработать аналоги, которые позволят успешно регенерировать эти ткани.
При этом такая разработка не так уж и проста. Для качественного искусственного матрикса есть большое количество требований: он должен быть биосовместимым, то есть поддерживать рост, размножение и дифференцировку клеток, а также иметь свойства, схожие с таковыми у природного матрикса. Если же все эти требования не выполнить, то клетки, взаимодействуя с таким матриксом, не будут делиться. Из-за этого не получится качественно восстановить структуру ткани.
Ученые из Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (Москва), Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва) и Московского физико-технического института (Москва) исследовали, как реагирует искусственный матрикс на растяжение в водной среде. Такие условия эксперимента были нужны, чтобы сымитировать нахождение ткани в живом организме. Чтобы проанализировать ее характеристики, авторы синтезировали волокнистый материал на основе поли-L-молочной кислоты — биоразлагаемого и биосовместимого полимера.
После этого исследователи изучили матрикс под микроскопом. Волокна были очень маленькими: в десять раз тоньше человеческого волоса. Нити в составе были направленны в разные стороны, благодаря чему материал формировал сложную сеть. При этом у матрикса была высокая плотность: в одном миллиметре матрикса было более полутора тысяч волокон.
Чтобы провести исследование, специалисты использовали уникальную экспериментальную установку, которая состояла из высокочастотного импульсного ультразвукового микроскопа и минимашины механического нагружения.
Оказалось, что если растянуть материал на 30%, то волокна распутываются и ориентируются преимущественно вдоль оси, по которой деформировали материал. Что самое главное — плотность образца снизилась в два раза и продолжала уменьшаться до того момента, пока не был достигнут предел прочности. Когда ученые растянули материал на 400% от исходной длины, материал стал плотнее, ведь все нити были направлены в одну сторону. Однако при дальнейшем растяжении он рвался.
«В составе тканей матрикс подвергается различным деформациям. Мы выяснили, как меняется его микроструктура при различной силе растяжения в водной среде. Это поможет подбирать оптимальные условия для искусственных материалов при регенерации, а также заранее предсказывать поведение волокон в условиях живого организма. В дальнейшем мы планируем исследовать свойства нашего матрикса, когда в него уже помещены живые клетки», — поделился руководитель проекта Егор Мороков, старший научный сотрудник Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
