С кожи да: ученые нашли способ создавать аналоги живых тканей
Ученые в России предложили новый способ получения искусственных полимеров со свойствами, аналогичными живым мягким тканям. Такие умные материалы будут в точности повторять механический отклик, который дают живые органы при различных нагрузках и воздействиях. Разработка позволит создавать имплантаты кожных покровов и внутренних тканей, создать устройства для восстановления после переломов и растяжений. Также новые материалы можно применить в робототехнике при изготовлении «мягких» манипуляторов, подобных человеческим рукам.
Тонкая настройка
Ученые-материаловеды из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова нашли способ создавать мягкие полимеры, аналогичные тканям живого организма — одновременно прочные, упругие и эластичные. Такие материалы востребованы, например в биомедицине. Они позволяют создавать заменители кожных покровов, мышц, жировых тканей, кровеносных сосудов и костных хрящей с программируемыми свойствами. Это дает возможность изготовить имплантаты любого органа по индивидуальным параметрам. Новые технологии найдут применение и в пластической хирургии, полагают специалисты.
Коллектив лаборатории инженерного материаловедения МГУ. В центре — заведующий лабораторией Дмитрий Иванов
— Сложность живых тканей в том, что их свойства изменяются неравномерно. Когда мы растягиваем кожу на руке человека — она мягкая. Затем, растянувшись, становится твердой. Вместе с тем упругость кожи зависит от возраста, пола, состояния здоровья и других индивидуальных особенностей человека. Такими же неповторимыми свойствами обладают и другие органы. Поэтому трудно точно воспроизвести механические свойства живых органов в синтетических материалах, — рассказал «Известиям» руководитель исследований, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ, профессор Дмитрий Иванов.
Как пояснил ученый, можно направленно создавать вещества с необходимыми механическими свойствами. Такой искусственный материал будет в точности повторять отклик, который дают живые органы при различных нагрузках и воздействиях.
— Полимеры с заданными свойствами имеют сложную архитектуру. В их основе длинная цепь, к которой привиты молекулярные «ворсиночки» или разветвления. Варьируя их длину и густоту, можно вести тонкую настройку механических свойств полученного материала. Также можно задать другие полезные свойства. Например, цветность или липучесть, — изложил ученый суть разработки своей команды.
По его словам, хорошее качество полученных молекул заключается в том, что они могут самоорганизовываться — то есть собираться в надмолекулярные кластеры, соединяясь друг с другом. В одном таком «узелке» размером в несколько нанометров могут быть связаны десятки и сотни молекулярных цепочек. Такие «узелки» задают механические свойства материала.
Образец материала
— Мы можем, не меняя материала, а только корректируя длину «ворсиночек», подогнать свойства искусственных полимеров к любому органу в теле человека. В том числе имитировать стенки аорты и ткань мозга и других важных органов, — конкретизировал Дмитрий Иванов.
В результате формируется матрикс — единая структура, состоящая из жестких «узелков», связанных друг с другом мягкими разветвленными цепочками. Она обладает упруго-эластичными свойствами и способностью без разрушения выдерживать большие деформации. При этом разброс свойств полученного полимера может быть очень широким. Например, он может объединить в себе мягкость гидрогеля и прочность, характерную для волокон коллагена (белка, который составляет основу соединительной ткани организма).
Копилка полимеров
По словам ученого, существует множество вариантов применения разработанных аналогов живой ткани. Биомедицинское направление — лишь одно из них. Одно из препятствий в развитии прикладных направлений проекта — относительная дороговизна синтеза новых полимеров.
В частности, для изучения материалов и оптимизации их структуры в лаборатории используют уникальные и очень дорогие установки, которые были приобретены по программе мегагрантов. Она была запущена с целью развития в России научной исследовательской инфраструктуры мирового уровня. Однако затраты будут снижаться по мере развития технологии.
Лабораторное оборудование, на котором ученые изучают свойства и структуру материалов
— Сейчас в кооперации с международным коллективом, включающим ученых из Франции и США, была создана база полимеров со свойствами, аналогичными живым тканям, и были проработаны способы получения этих полимеров. В дальнейшем можно будет задействовать искусственный интеллект для облегчения процесса подбора материалов, — рассказал Дмитрий Иванов.
По мере развития технологии можно будет на микрообразце измерять механические свойства человеческих тканей и затем целенаправленно синтезировать полимер, необходимый для создания персонализированного имплантата, полагает ученый. Когда методику полностью разработают, ее можно будет воспроизвести в любой клинике.
Отдельные материалы уже были проверены в ходе биологических испытаний — таким образом удалось подтвердить биосовместимость полученных полимеров. На следующем этапе ученые намерены приступить к созданию прототипов медицинских изделий.
— Сейчас технологии создания аналогов живых тканей на базе синтетических полимерных материалов активно развиваются. Вместе с тем существуют альтернативы. Например, на основе гидрогелей или 3D-биопечати, — рассказал «Известиям» старший преподаватель центра цифрового конструирования Сколковского института науки и технологий Алексей Салимон.
Образец материала
По его мнению, необходимо развивать разные направления. Это позволит в каждом конкретном случае находить оптимальные решения. Например, мягкие ткани головного мозга, печени, легких предпочтительнее воспроизводить на основе гидрогелей.
— Многое зависит от чистоты полученных материалов. В частности, при производстве синтетических полимеров возможно появление сопутствующих веществ. Они могут составлять доли процента, но при этом оказывать канцерогенное и мутагенное действие. В результате человек, в организм которого были внедрены инородные вещества, впоследствии может получить онкологию или генетическую мутацию, — отметил доцент кафедры физической химии НИТУ МИСИС Георгий Фролов.
Он добавил, что зачастую чистоте материала не уделяется должного внимания, поскольку из-за этого значительно возрастает его стоимость.
— Нужно отметить, что научная группа занимается также моделированием материалов. То есть специалисты рассчитывают, из каких компонентов должен состоять полимер и каким образом его следует синтезировать, чтобы получить необходимые биохимические свойства, — объяснила заведующая лабораторией молекулярно-биологических и нейробиологических проблем и биоскрининга МФТИ Елена Петерсен.
Эксперт добавила, что в процессе создания биопротезов важно учитывать нюансы. Потому что основные проблемы в этих случаях из-за разницы свойств искусственных и натуральных тканей. В месте их соприкосновения часто возникают асептические воспаления, которые приводят к развитию осложнений.
В лаборатории за работой
— Нашей стране необходимо развивать собственную полимерную химию и наращивать базу «строительных блоков», из которых создаются умные материалы. Это позволит стать лидером не только в науке, но и в изобретении и производстве устройств будущего, — рассказал руководитель направления «Нанобиомедицина» университета «Сириус» Максим Никитин.
По словам эксперта, вышеуказанная тематика найдет применение во многих областях. В частности, в медицине на базе этих материалов с запрограммированными свойствами можно разработать устройства, которые помогут при восстановлении, например после переломов и растяжений. Кроме того, при создании искусственных внутренних органов эти полимеры могут стать их основой. На них можно будет растить живые клеточные структуры.
С другой стороны, отметил Максим Никитин, подобные полимерные материалы будут востребованы в мягкой робототехнике. Например, они пригодятся для изготовления сложных манипуляторов, подобных человеческим рукам, которые осуществляют захват предметов, различных по форме и хрупкости. Также можно сконструировать комфортные мягкие экзоскелеты, которые будут незаметными на теле, но помогут его носителю увеличить свои физические способности.
