Комплексное исследование способности магнитоактивных материалов влиять на рост культивируемых предшественников клеток костной ткани и на развитие самой костной ткани провели ученые биологического факультета МГУ совместно с коллегами из других научных организаций, 5 декабря сообщает пресс-служба университета.

Пьезоэлектрические свойства (способность генерировать электрический заряд в ответ на механическую деформацию), которыми обладает костная ткань, используются в организме в том числе для регуляции с помощью возникающего при ритмической механической нагрузке на кости во время ходьбы электрического поля работы клеток этих тканей, а также для регенерации их при повреждении.

Науке известно, что некоторые полимеры, вырабатываемые бактериями, например, поли-3-оксибутират (PHB) и его сополимеры, также обладают пьезоэлектрическими свойствами. А поскольку такие полимеры хорошо биосовместимы с тканями организма и без вредных последствий рассасываются в них при имплантации, они имеют хорошие перспективы для конструирования на их основе скаффолдов (каркасов) и имплантатов для регенеративной медицины.

Эти качества поли-3-оксибутирата научная группа учла при создании нового искусственного биоматериала, который имитировал и структуру, и физико-химические свойства соединительной ткани, и ее пьезоэлектрические свойства.

Сначала исследователи с помощью контролируемого бактериального биосинтеза получили поли-3-оксибутират с заданной химической структурой. Далее для имитации структуры соединительной ткани, состоящей из переплетения полимерных волокон, они, чтобы получить из этого полимера волокнистые скаффолды, применили метод электроформования.

Для многократного усиления пьезоэлектрического эффекта и получения магнитоактивных скаффолдов ученые в полимерную основу PHB добавили магнитоактивные наноматериалы, в качестве которых использовали наночастицы магнетита и их комплексы с оксидом графена. Это позволило включать и выключать генерацию электрического поля на поверхности полученного материала с помощью внешнего переменного магнитного поля.

Для создания такого поля они сконструировали уникальную установку, которая генерировала магнитное поле низкой частоты (около 1 Гц), а также установку, позволяющую бесстрессово воздействовать таким магнитным полем на лабораторных крыс.

Проведенные эксперименты in vitro показали, что мезенхимальные стволовые клетки росли гораздо лучше на волокнистых скаффолдах с магнитными наночастицами. Причем наиболее активно на скаффолдах с оксидом графена по сравнению со скаффолдами, созданными без применения наноматериалов.

Исследователи установили, что низкочастотное магнитное поле заметно стимулирует рост стволовых клеток. Однако магнитоактивные скаффолды при воздействии внешнего магнитного поля подавляли вызываемый этим полем рост стволовых клеток.

Было высказано предположение, что такой эффект стал результатом стимуляции их превращения в клетки костной ткани. Оно подтвердилось в экспериментах на лабораторных крысах, которым такие скаффолды имплантировали в бедренную кость.

Было установлено, что вызываемый магнитным полем пьезоэлектрический эффект стимулирует образование новой костной ткани на имплантированных магнитоактивных скаффолдах с наночастицами магнетита и их комплекса с оксидом графена. При этом скаффолды в комплексе с оксидом графена оказывали наибольшее усиливающее воздействие на рост новообразованной костной ткани.

Тем не менее все наблюдаемые в экспериментах результаты, отмечают исследователи, могут вызываться воздействием на клетки и ткани не только пьезоэлектрического эффекта. Они могут быть следствием синергетического влияния сразу нескольких факторов, кроме пьезоэлектрического. Например, совместным влиянием шероховатости и смачиваемости поверхности данных скаффолдов и магнитомеханического воздействия нового материала на клетки костной ткани.

Также проведенные эксперименты продемонстрировали, что разработанные композитные скаффолды в организме подвержены биодеградации. Это было подтверждено исследователями на модели ферментативной биодеградации in vitro.

При этом было показано, что введение магнитных наноматериалов ускоряет биодеградацию полимерных скаффолдов за счет микроструктурных изменений, наличия пор на поверхности композитных волокон и увеличения содержания в них аморфной фазы.

Результаты исследования ученые представили в статье «Остеогенный потенциал и долговременная ферментативная биодеградация скаффолдов на основе PHB с композитными магнитными нанонаполнителями в магнитном поле» (Osteogenic Potential and Long-Term Enzymatic Biodegradation of PHB-based Scaffolds with Composite Magnetic Nanofillers in a Magnetic Field), опубликованной в ACS Applied Materials & Interfaces.

Доцент кафедры биоинженерии МГУ Антон Бонарцев пояснил:

«Полученные результаты можно использовать в таких перспективных направлениях биоинженерии как разработка новых имплантируемых пьезоактивных биоматериалов для тканевой инженерии, создание пьезоактивных костных имплантатов для регенерации костной ткани, создание биореакторов со стимулируемым магнитным полем выращиванием клеток животных на биополимерных носителях, создание управляемых магнитным полем биосенсоров и других областях».

В исследовании принимали участие также ученые Томского политехнического университета, ФИЦ Биотехнологии РАН, Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы, НИИ Морфологии человека и университета Авейру (Португалия).

В публикации отмечено, что только такие комплексные междисциплинарные исследования, которые провел этот большой научный коллектив, могут дать знания о новых явлениях на стыке биологии, химии, физики и медицины, в том числе таких, как влияние магнитоактивных биоматериалов на поведение клеток.