В МГУ научились воздействовать на регенерацию костной ткани

Как магнитоактивные материалы влияют на рост клеток костной ткани и развитие самой костной ткани у лабораторных животных при воздействии внешнего низкочастотного магнитного поля, выяснили ученые из МГУ, ФИЦ Биотехнологии РАН, Томского политехнического университета, РУДН, НИИ Морфологии человека и Университета Авейру в Португалии.

Результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Кости могут генерировать электричество, когда мы двигаемся или давим на них. Это называется пьезоэлектрический эффект. Возникающее при этом электрическое поле помогает клеткам костей работать правильно и восстанавливаться при повреждениях.

Некоторые полимеры, созданные бактериями, тоже могут производить электричество. Они называются поли-3-оксибутират и его сополимеры. Эти полимеры хорошо сочетаются с тканями человека и растворяются в них, если их имплантировать. Поэтому они очень полезны для создания материалов, которые помогают восстанавливать ткани.

Исследователи хотели создать новый искусственный материал, который бы походил на соединительную ткань. Для этого они использовали вещество под названием поли-3-оксибутират.

Сначала они получили это вещество с помощью бактерий. Затем использовали специальное оборудование, чтобы превратить поли-3-оксибутират в волокнистые структуры. Эти структуры должны были имитировать переплетение волокон в соединительной ткани.

Ученые создали специальные каркасы, которые могут становиться магнитными и электрическими. Они сделаны из полимера и наноматериалов — маленьких частиц магнетита и их соединений с оксидом графена. Эти частицы помогают включать и выключать электричество на поверхности каркаса с помощью внешнего магнитного поля.

Для этого ученые разработали специальное устройство, которое создает внешнее магнитное поле низкой частоты (около 1 герца). Также они создали устройство для безопасного воздействия магнитного поля на лабораторных крыс.

Ученые провели исследование и выяснили, что мезенхимальные стволовые клетки лучше росли на специальных каркасах из волокон с добавлением магнитных наночастиц. Особенно хорошо они росли на каркасах с оксидом графена. Низкочастотное магнитное поле заметно стимулировало рост стволовых клеток. А вот магнитоактивные каркасы под воздействием внешнего магнитного поля замедляли рост стволовых клеток, возможно, потому что они превращались в клетки костной ткани.

Ученые провели эксперимент на крысах. Лабораторным крысам имплантировали специальные каркасы в бедренную кость. Эти каркасы были разработаны учеными.

Выяснилось, что с помощью магнитного поля можно стимулировать образование новой костной ткани на этих каркасах. В состав каркасов входили наночастицы магнетита и их комплекс с оксидом графена. Оксид графена — это соединение углерода и кислорода.

Оказалось, что каркасы с оксидом графена сильнее всего влияли на рост новой костной ткани.

Наблюдаемые эффекты могут быть связаны не только с пьезоэлектрическим эффектом, но и с другими факторами. Явление может иметь более сложную природу из-за сочетания нескольких воздействий.

Например, поверхность скаффолдов может влиять на клетки за счет своей шероховатости и способности смачиваться. Также разработанный материал может воздействовать на клетки благодаря своим магнитным свойствам.

Композитные скаффолды разлагаются в организме естественным образом. Это было доказано в лабораторных условиях с помощью ферментов.

Добавление магнитных наноматериалов ускоряет разложение полимерных скаффолдов. Это происходит из-за изменений в их микроструктуре, а также благодаря порам на поверхности волокон и увеличению количества аморфной фазы.

«Результаты исследования могут быть полезны в разных областях биоинженерии. Например, с их помощью можно создать новые материалы для восстановления тканей, разработать костные имплантаты, которые помогут восстановить костную ткань, придумать биореакторы для выращивания клеток животных с использованием магнитного поля и биосенсоры, которыми можно управлять с помощью магнитного поля», — отметил доцент кафедры биоинженерии Антон Бонарцев.

Чтобы больше узнать о новых явлениях, которые возникают на стыке биологии, химии, физики и медицины — например, как влияют на поведение клеток магнитоактивные биоматериалы — нужно проводить исследования сразу в нескольких областях науки.

Ранее ученые разработали имплант против остеоартрита и артроза.

09.12.2024