Ученые показали, что это возможно с помощью пьезоэлектрических биокомпозитов

Ученые Томского политехнического университета продемонстрировали, что каркасы из пьезоэлектрического полимера с добавлением минеральных наночастиц могут с успехом использоваться для восстановления костной ткани. Такие композиты хорошо приживаются в организме и, преобразуя энергию сжатия-растяжения в электроимпульсы за счет пьезоэффекта, стимулируют рост костной ткани, ускоряя восстановление.

Результаты исследования опубликованы в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.

– В нашем исследовании мы сравнили свойства трех материалов для создания биодеградируемых каркасов. Помимо классического поликапролактона взяли пьезоэлектрический полимер и пьезополимер с добавлением биоактивных наночастиц. Электрические заряды, возникающие при механической деформации или давлении на пьезоэлектрик, активизируют клетки живой ткани, побуждая их расти и делиться. Поэтому полимеры с таким свойством очень перспективны для регенеративной медицины. Наш эксперимент показал, что наилучшим для восстановления костной ткани оказался третий вариант — гибридный биокомпозит, — говорит начальника центра технологий ТПУ Роман Сурменев.

Полимерные каркасы служат «строительными лесами» для живых клеток, формирующих новую костную ткань. Эти каркасы производят из биодеградируемых материалов: со временем, когда кость уже сформирована, материал каркаса распадается на простые вещества и выводится из организма. Для создания таких «опор» чаще всего используется поликапролактон — прочный и эластичный биоразлагаемый полимер. Однако ученые продолжают искать наиболее подходящие материалы для регенеративной медицины. Для исследования ученые ТПУ выбрали полимер из группы полиоксиалканоатов, который обладает пьезоэлектрическими свойствами, как и природная кость.

Кроме того, исследователи расширили возможности материала, добавив в полимер наночастицы гидроксиапатита. Гидроксиапатит — синтетическое вещество, подобное минеральному компоненту скелета, применяется как составляющая материалов для ортопедии и стоматологии.

В ходе эксперимента ученые поместили на полимеры стволовые клетки. Эти клетки в организме дифференцируются практически в любые ткани любого органа, поэтому по их поведению можно делать выводы о пригодности полимера к имплантации. Исследование показало, что на поверхности биокомпозита с наночастицами оказалось примерно в полтора раза больше живых клеток, чем на других образцах. Это объясняется тем, что включение гидроксиапатита с кремнием увеличивает площадь поверхности полимерного каркаса, обогащает ее кальцием, фосфором и кремнием, улучшает смачиваемость.

– Кроме количественной оценки мы оценили и жизнеспособность клеток на полимерах. Через 24 часа после начала эксперимента на каждом из образцов выживаемость клеток была выше 80%, а на полимере с биочастицами она превысила 95%. Это доказывает, что пьезоэлектрический композит с применением неорганических наночастиц не только является биосовместимым, но и способствует клеточному росту», — поясняет Роман Сурменев.

Добавим, работа выполнена в сотрудничестве с коллегами из других городов России (Саратов, Санкт-Петербург) и Великобритании (Лондон).