Лотос как источник биовдохновения

Гидрогель – это не просто функционально, но еще и красиво. Фото Physorg

Старая китайская поговорка гласит: «Попробуй ты лотос сломать, но стебли его неразрывны». Лотос считается священным в Египте и на Востоке, недаром индуистские божества и Будда зачастую избирают его цветы в качестве своего трона. Сила и прочность стеблей цветка видят в скрученности его спирально извитых волокон. Они-то и стали привлекательной моделью биомиметического дизайна искусственных волокон, о чем говорится в статье специалистов пекинского Университета науки и технологии, которую они опубликовали в журнале Nano Letters.

Технологичнее, конечно же, оказалось производство волокнистых спиралей из бактериальной целлюлозы (ВС). Ее получают с помощью биотехнологии (микробы относят к растительному миру именно по наличию в их оболочках клетчатки-целлюлозы). Благодаря использованию высокопрочных волокон ВС был получен поглощающий воду гидрогель с превосходной биосовместимостью, при этом весьма эластичный. Особенность нового биомиметического гидрогеля на основе 3D-сети нановолокон – обратимость разрыва многочисленных водородных связей (НВ – Hydrogene Bonds). Кстати, этот процесс наблюдается при испарении и замерзании воды. Подобно спиральным волокнам лотоса, новый ВС-гидрогель может выдерживать нагрузку до 116 МДж/м3, что в девять раз больше прочности обычных – прямых – волокон.

Одна из проблем, с которыми приходится сталкиваться хирургам, – расхождение краев ран и швов. Китайцы полагают, что их спирализованные ВС-волокна найдут широкое применение в хирургической практике при лечении ран. Сейчас авторы работают над оснащением этих волокон молекулами антибиотиков ингибиторов воспаления, а также стимуляторов иммунного ответа, что ускорит заживление ран и затягивание швов.

С точки зрения механических свойств ВС-волокон с их высокой эластичностью и рассеянием энергии важно, что они легко выдерживают деформации тканей и органов, которые неизбежны в естественных условиях повседневной жизни. Немаловажно и то, что при внесении необходимых доработок биомиметические гидрогели станут превосходной платформой не только для медицины, но и в других областях технологий.

По другую сторону Тихого океана, в Университете штата Вашингтон в Сиэтле, решили не отставать от коллег в применении принципа «пусть цветут все цветы». Американцы предложили гидрогели на основе коллагена и фибрина (волокна первого держат тонус нашей кожи, а второго закупоривают сосуды при ранениях). Преимуществом белковых гидрогелей стало то, что их можно, по выражению создателей, декорировать молекулами флюоресцентных (светящихся) протеинов с помощью лазера, излучающего в инфракрасной области.

Биоинженеров также привлекает то, что естественные для тканей организма белки являются предпочтительнее для развития стволовых клеток, используемых для 3D-принтинга органоидов и даже органов. Дело в том, что развитие и созревание клеток до стадии полноценного функционирования требуют не только соответствующего пространственного каркаса, но и последовательного направления с помощью активаторов специфических генов и включателей геномных программ. Так, для получения «взрослого» состояния клеток костей (остеобластов) требуется белок дельта (Delta), включающий программу клеточного развития Notch («узел»).

Но для управляемости и контроля созревания клеток необходимо, чтобы эти два активатора не срабатывали преждевременно. Для этого коллагеновые волокна гидрогеля украсили группами алкоголь-оксиамина (АОА), которые «прикрыли» до поры до времени фотоактивируемыми химическими группами. После этого к одному из концов биоактивных белков присоединили альдегидную группу – СНО. В результате после обработки ультрафиолетом АОА «оголился» и связался с СНО дельты. Так гидрогель стал контролировать развитие клеток в нужном направлении. После еще одной манипуляции активированные в гидрогеле клетки стали светить красным светом.

Ученые надеются, что через какое-то обозримое время производство органов и тканей, причем совместимых с данным организмом без опасности отторжения, станет такой же индустриальной процедурой, как сборка авто. И действительно, ведь до Генри Форда их делали вручную и весьма неповторимыми, что исключало взаимозаменяемость их частей.