Исследователи из Курчатовского института, МФТИ и Института электрофизики и электроэнергетики РАН предложили способ изготовления трехмерных многоуровневых полимерных конструкций c послойной ориентацией волокон. Подобная морфология материала позволит воссоздать природную архитектуру внеклеточного «каркаса», состоящего из коллагена и эластина — своего рода «арматуры» для клеточных слоев. «Заселив» созданный по индивидуальному проекту полимерный каркас стволовыми клетками пациента, можно создать идеально подходящий для пересадки орган. В статье, опубликованной в Chemical Engineering Journal, ученые, изменяя электрическое поле с помощью высоковольтного генератора, получили из полимерных волокон материалы со сложной геометрией и предлагают использовать новый метод при создании природоподобных структур для тканевой инженерии.
За основу исследователи взяли метод электроспиннинга (электроформования). Он известен достаточно давно и используется для получения микро- и нановолокон из полимерного раствора или расплава. Сильное электрическое поле действует на каплю полимера, расположенную на кончике капилляра, при этом поверхность капли начинает растягиваться и приобретает форму конуса (конус Тейлора). Накапливая всё больший заряд, полимер вытягивается в тонкое волокно. Когда электростатические силы превосходят поверхностное натяжение раствора, это волокно открывается от основной массы и летит на подложку (коллектор). В классическом варианте метода коллектор обладает зарядом с противоположным знаком, а полимерные волокна осаждаются на нем случайным образом, образуя нетканый материал.
Такие материалы могут быть использованы в качестве внеклеточного матрикса (каркаса) — например, при выращивании клеточной структуры. Для того чтобы клетки могли сформировать ткань или орган и успешно функционировать, им нужна поддержка. В организме ее обеспечивает внеклеточный матрикс — система волокон, выполняющая, в том числе, роль «арматуры». Природный внеклеточный матрикс состоит из гиалуроновой кислоты и белков: коллагена, фибронектинов, эластина и многих других. Помимо опорной функции, белки обеспечивают питание клеток, запасая воду и полезные вещества, играют роль межтканевых прослоек и смазочного материала в суставах, регулируют взаимодействие клеток друг с другом. Внеклеточный матрикс с помощью белков способен отдать клеткам команду делиться или умереть, повлиять на дифференцировку. В свою очередь, клетки тоже влияют на окружающий их каркас: если жесткость недостаточна, активируются сигнальные пути, ответственные за синтез компонентов внеклеточного матрикса. Если же, напротив, жесткость субстрата и напряжение в нем превышают оптимальные значения, клетка уменьшает секрецию компонентов матрикса и выделяет разрушающие его ферменты.
Для того чтобы воспроизвести структуру органа, зачастую требуется достаточно сложная конструкция. Например, во внутренней стенке кровеносного сосуда эластичные волокна проходят параллельно току крови, а в средней — по кругу. Такая структура сосуда позволяет ему при необходимости удлиняться и растягиваться. Еще более сложно устроен внеклеточный матрикс сердца — если удалить все клетки, взгляду откроется конструкция из коллагена, эластина и фибрина, которая не только придает форму, но и «организует» процесс формирования сердечной мышечной ткани. Авторы статьи разработали схему, позволяющую быстро изменять напряжение на коллекторе и тем самым управлять процессом осаждения волокон.
«Сейчас в нашей конструкции четыре электрода на подложке, — поясняет начальник отдела нанобиоматериалов и структур Ксения Луканина. — Мы можем, например, сформировать слой материала, волокна которого ориентированы вдоль первой пары электродов, а затем поверх расположить слой, ориентированный вдоль второй. Увеличивая количество электродов, меняя их расположение, можно задавать всё более и более сложную геометрию будущего матрикса, контролируя в буквальном смысле положение каждого волокна».
«В ближайшее время мы планируем создать сложноупорядоченные ориентированные полимерные матриалы не только в плоскости, но и использовать цилиндрические электроды, — рассказал заведующий лабораторией электрогидродинамических систем Института электрофизики и электроэнергетики РАН Игорь Ребров. — Совмещая механическое вращение и предложенный нами метод контролируемой точки осаждения волокна, мы способны создавать гиперболоидные конструкции, наподобие Шуховской башни, и даже цилиндрические каркасы с перпендикулярно уложенными волокнами».
Рис. 1. Схема установки для электроспиннинга с четырьмя электродами на коллекторе. Первый вариант расположения электродов позволяет получить слои волокон, расположенные под углом 90° друг к другу, второй — 45°.
Помимо конструкции коллектора, ученые модифицировали и сам процесс электроспиннинга. Недостаток классического метода заключается в том, что толщина нетканого полотна ограниченна — когда на коллекторе накопится достаточное количество заряженных волокон, осаждение новых прекращается, нет разности потенциалов, которая заставила бы полимер притянуться. Исследователи добавили в конструкцию установки возможность изменить полярность электрического поля в капилляре с полимером, таким образом заряд волокон также изменится на противоположный. Теперь волокна и коллектор вновь заряжены по-разному, и процесс может быть продолжен.
Рис. 2. Электроспиннинг со сменой полярности полимерного раствора.
«Наша технология занимает нишу между 3D печатью методом стабилизированного электроспиннинга, когда матрикс печатается поволоконно, но крайне медленно, и быстрым классическим способом, но без упорядоченной укладки волокон», — пояснил директор Института нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных наук и технологий Тимофей Григорьев.
Новый подход к электроспиннингу позволит получать более сложные природоподобные полимерные структуры для тканевой инженерии. Возможно, со временем созданные по «индивидуальному заказу» полимерные матриксы, заселенные стволовыми клетками самого пациента, решат проблему нехватки донорских органов и избавят от негативных эффектов, связанных с неидеальной совместимостью.