Пьезоактивные биоматериалы, адгезией бактерий к которым можно управлять с помощью внешнего магнитного поля, разработали совместно ученые биофака МГУ и Томского политехнического университета (ТПУ), 12 января сообщает пресс-служба МГУ.

Способностью генерировать электрический заряд на своей поверхности в ответ на механическую деформацию (пьезоэффект) в человеческом организме обладают соединительные ткани: костная, хрящевая, ткани сухожилий, кожи и связок. При этом электрическое поле, возникающее, например, при ходьбе, участвует в регуляции нормальной работы клеток этих тканей, а также их регенерации при повреждении.

Отдельные полимеры бактериального происхождения, например, поли-3-оксибутират и его сополимеры также обладают пьезоэлектрическими свойствами. Однако, если исследования воздействия пьезоэффекта на клетки животных в настоящее время ведутся, то роль его в жизнедеятельности бактерий практически неизвестна.

Поскольку бактериальные полимеры хорошо биосовместимы с тканями человеческого организма и обладают способностью к биоразложению, они перспективны для использования в скаффолдах (клеточные матрицы для регенерации костей) и имплантатах для регенеративной медицины.

Команда ученых МГУ и ТПУ использовала поли-3-оксибутират для создания на его основе нового искусственного биоматериала, который имитирует и структуру, и физико-химические свойства соединительной ткани, а также ее пьезоэлектрические свойства.

Поли-3-оксибутират с заданной химической структурой они создали путем контролируемого бактериального биосинтеза. Имитация структуры соединительной ткани, состоящей из переплетения полимерных волокон, была выполнена с использованием метода электроформования, в результате чего из поли-3-оксибутрата были созданы волокнистые скаффолды.

Чтобы во много раз усилить пьезоэлектрический эффект таких скаффолдов, в их полимерную основу были добавлены наночастицы магнетита и их комплексы с оксидом графена. В результате возникла возможность включать и выключать электрическое поле этих скаффолдов с помощью внешнего переменного магнитного поля, которое генерировала с частотой около 1 Гц специально созданная установка.

Так как исследуемый биоматериал имеет бактериальное происхождение, то проверка его способности управлять поведением живых клеток с помощью внешнего магнитного поля проводилась на бактериях, пояснили исследователи. Руководитель исследования, доцент кафедры биоинженерии биофака МГУ Антон Бонарцев рассказал:

«Для выявления способности нашего пьезоактивного биоматериала управлять поведением клеток мы выбрали два разных вида бактерий: грамотрицательные Escherichia coli и грамположительные Lactobacillus fermentum. Мы увидели, что внешнее магнитное поле вызывало выраженное проявление пьезоэффекта в полимерном биоматериале с магнитными наночастицами и его биологического действия на клетки, что выражалось в уменьшении адгезии к поверхности скаффолдов лактобактерий почти в два раза».

При этом действие пьезоэффекта на кишечную палочку (E.coli) было гораздо слабее. Однако было обнаружено выраженное действие самого магнитного поля на адгезию этих бактерий к поверхности полимерного биоматериала, не содержащего магнитные наночастицы, чего не наблюдалось в случае лактобактерий.

«Таким образом, — продолжил ученый, — мы показали способность как с помощью пьезоэффекта, так и с помощью прямого воздействия магнитного поля регулировать адгезию бактерий к полимерным биоматериалам, причем оба фактора действовали совершенно по-разному на грамотрицательные и грамположительные бактерии».

Результаты, полученные в данном исследовании, очень важны для разработки новых имплантируемых пьезоактивных биоматериалов с воздействием на клетки и ткани внешне управляемым магнитным полем; создания пьезоактивных имплантатов, которые не будут подвержены бактериальному инфицированию и образованию на их поверхности биопленок; создания биореакторов, в которых рост бактерий и клеток животных на биополимерных носителях будет стимулироваться магнитным полем.

Кроме того, данное исследование может быть использовано при создании управляемых магнитным полем биосенсоров для диагностики адгезионной способности различных бактерий, а также в ряде других областей.

Ученые считают, что рост наших знаний о новых явлениях на стыке биологии, химии, физики и медицины, в том числе о влиянии на поведение клеток пьезоэлектрического эффекта биоматериалов, возможен лишь в результате таких комплексных междисциплинарных исследований.

Результаты этого исследования были представлены в статье «Адгезия Escherichia coli и Lactobacillus fermentum к пленкам и электроспряденным волокнистым каркасам из композитов поли (3-гидроксибутирата) с магнитными наночастицами в низкочастотном магнитном поле», опубликованной в International Journal of Molecular Sciences.