Учёные СГУ продолжают заниматься перспективными разработками в области медицины
21.01.2021
Учёные Саратовского университета продолжают активно заниматься разработкой перспективных технологий, предназначенных для изготовления медицинских наноматериалов. Так, результаты сразу двух экспериментально-научных исследований, выполненных при участии группы сотрудников СГУ, возглавляемой заведующей кафедрой радиотехники и электродинамики О.Е. Глуховой, опубликованы в престижных научных журналах.
На страницах «Composite Structures» можно ознакомиться с итогами совместной работы представителей кафедры радиотехники и электродинамики и отдела математического моделирования ОНИ НСиБС СГУ, Московского института электронной техники и Первого Медицинского университета имени И.М. Сеченова. Учёными разработана лазерная технология изготовления структур в виде композитных слоёв на основе углеродных нанотрубок и биополимеров, включая макромолекулы альбумина, коллагена и хитозана. Такие структуры предназначены для изготовления устройств и имплантов для сердечно-сосудистой системы. В процессе работы исследователями были выявлены оптимальные параметры лазерного воздействия для образования композитных биополимеров, проводящих электрические импульсы и обладающих механической твёрдостью слоёв свыше 100 Мпа.
Как объясняет заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ О.Е. Глухова, в статье опубликованы результаты трёхлетних теоретических и экспериментальных исследований, описывающих полный цикл изготовления новых наноматериалов для создания медицинских тканево-инженерных конструкций. Плёнки произведённого наноматериала заселяются специальными клетками, после чего осуществляется внедрение импланта в область дефекта тканей сердца или кровеносных сосудов.
В числе ключевых достоинств сформированных биополимеров – способность обеспечить нормальный уровень гемолиза при взаимодействии с эритроцитами и высокая биосовместимость с эндотелиальными клетками, выстилающими внутреннюю поверхность сосудов. По словам профессора, новые материалы могут использоваться при создании смарт-покрытий для контактирующих с кровью поверхностей сердечно-сосудистых имплантатов – например, насосов для перекачивания крови.
«Здесь слово "смарт" понимается в хорошо всем знакомом значении "умный". Таковым этот материал делает его управляемая структура, характеризующаяся бимодальным распределением пор. Малые поры – размером 1–5 мкм – участвуют в процессах васкуляризации (формирования новых кровеносных сосудов) и иннервации (обеспечения нервными клетками). В свою очередь, большие поры – размером 100–200 мкм задействованы в пролиферации (росте и делении) клеток. Следует отметить, что размер пор может как бы "настраиваться" путём подбора размеров одностенных углеродных трубок и их пучков в исходной дисперсии, из которой лазерным воздействием формируется твёрдый наноматериал с разветвлённой наноструктурой. Контроль размера пор дополнительно обеспечивается вычислением пороговой плотности энергии импульсов лазерного излучения на основе нелинейно-оптического взаимодействия излучения с ОУНТ [одностенными углеродными нанотрубками]», – пояснила Ольга Евгеньевна.
Таким образом, сотрудниками кафедры радиотехники и электродинамики и отдела математического моделирования ОНИ НСиБС СГУ «настраиваются» структура и свойства создаваемого наноматериала – в частности, в результате длительных численных экспериментов предварительно выявляются размеры нанотрубок и их структура, а также длина волны облучающего их лазера. Данные процедуры осуществляются с помощью современных квантовых методов моделирования с привлечением высокопроизводительных компьютерных вычислений. Следующий этап включает в себя процесс синтезирования наноматериала на основании теоретических результатов. Эта часть реализуется доцентом Московского института электронной техники А.Ю. Герасименко, который в настоящее время трудится над написанием докторской диссертации под руководством профессора О.Е. Глуховой. Заключительная фаза, включающая в себя биологические и медицинские исследования, выполняется учёными Первого Медицинского университета имени И.М. Сеченова.
Как подчёркивают специалисты, работа над новыми умными материалами для тканевой инженерии продолжается – в частности, в области пролиферации нейронов, разработки новых систем доставки лекарств и создания искусственных мышц для решения задач современной бионики. Результаты исследований, осуществлённых по этому направлению, легли в основу публикации, размещённой на страницах журнала «Molecules». При помощи комбинации различных методов математического моделирования научный коллектив профессора О.Е. Глуховой оценил механические и электронные свойства композита на основе двух графеновых чешуек и находящихся между ними молекул фосфолипида DPPC.
«Фосфолипиды, составляющие треть всех липидов в крови человека, используются в различных системах по доставке лекарств, однако, попадая в кровоток, такие системы испытывают аномально высокое напряжение. Для защиты лекарственных носителей от опасного внешнего воздействия используется графен, являющийся самым прочным из известных сегодня материалов. Объектом нашего исследования стал композит, представляющий собой слой фосфолипидных молекул, заключённый между графеновыми слоями. Прочность такой слоистой полимерной системы оценивалась с помощью "виртуального наноиндентирования" с применением численного эксперимента, основывающегося на методе молекулярной динамики», – рассказала Ольга Евгеньевна. Суть используемого метода заключалась в следующем: наноиндентор в виде углеродной нанотрубки с временным шагом 0.0001 наносекунды был приближен к поверхности исследуемого объекта, индуцируя в нём структурные изменения. В результате проведённого эксперимента было обнаружено, что при подобном воздействии область максимальных локальных напряжений оказывается сосредоточенной на атомах графена, которые таким образом защищают молекулы фосфолипида от возможного разрушения.
О.Е. Глухова добавила, что выявленные учёными эффекты «упрочнения» фосполипида слоями графена могут быть использованы не только для разработки новых систем доставки лекарств, но и при создании электрохимических биосенсоров нового поколения.
