Биоматериалы с управляемой адгезией

Соединительные ткани человеческого организма, кости, хрящи, сухожилия, кожа и связки обладают пьезоэлектрическими свойствами. В ответ на механическую деформацию они генерируют электрический заряд на своей поверхности. Это электрическое поле, например при ритмической механической нагрузке во время ходьбы или бега, регулирует нормальное функционирование тканей, в том числе их регенерацию при повреждениях.

Некоторые полимеры бактериального происхождения, такие как поли-3-оксибутират и его сополимеры, также бывают пьезоэлектриками. Бактериальные полимеры биосовместимы и биоразложимы, поэтому они интересны для создания матриц, на которых будут выращивать ткани и имплантаты для регенеративной медицины.

Ученые МГУ имени М.В. Ломоносова с коллегами из Томского политехнического университета и ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» во главе с доцентом биологического факультета Антоном Павловичем Бонарцевым разработали пьезоактивные биоматериалы, адгезией бактерий на которых можно управлять магнитным полем.

Новый искусственный биоматериал ученые создали на основе поли-3-оксибутирата путем контролируемого бактериального биосинтеза. Материал имитирует структуру и свойства соединительной ткани, которая состоит из переплетенных полимерных волокон. Его получали методом электроформования.

Чтобы многократно усилить пьезоэлектрический эффект, в полимерную основу добавили наночастицы магнетита и их комплексы с оксидом графена. Это позволило включать и выключать электрическое поле на поверхности материала при помощи внешнего магнитного поля низкой частоты (1 Гц).

Способность материала управлять поведением живых клеток исследовали на бактериях двух видов: грамотрицательных E. coli и грамположительных Lactobacillus fermentum. Для лактобактерий магнитное поле через пьезоэффект почти вдвое уменьшало адгезию. Для кишечной палочки влияние пьезоэффекта менее выражено, однако магнитное поле сильно влияет на ее адгезию к биоматериалу без наночастиц, чего не наблюдалось у лактобактерий.

Исследование важно для разработки устойчивых к бактериальному инфицированию и образованию биопленок имплантатов в регенеративной медицине, для создания биореакторов со стимулируемым выращиванием бактерий и клеток животных, управляемых магнитным полем биосенсоров, а также для проведения фундаментальных междисциплинарных исследований. Статья об исследовании опубликована в International Journal of Molecular Sciences.