Ученые из Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины (ФНКЦ ФХМ), МФТИ и МГУ имени М. В. Ломоносова доказали возможность совмещения двух несмешивающихся компонент (полимера и белка) в одном волокне матрикса, полученного методом электроспиннинга, и показали, что белок может пролонгировано высвобождаться из матрикса.

Смесевые матриксы, содержащие белок, перспективны в биомедицине в качестве ожоговых и раневых покрытий, тканеинженерных конструкций, матриц для доставки и высвобождения лекарственных средств.

Результаты исследований опубликованы в журнале RSC Advances. Работа была поддержана Российским научным фондом.

Электроспиннинг

Матриксы, полученные методом электроспиннинга, состоят из тонких волокон и имеют множество применений: их можно использовать для жидкостной или газовой фильтрации, для культивирования клеток, в качестве сорбентов и каталитических матриц, для создания защитной одежды, раневых антибактериальных покрытий, систем для доставки лекарственных средств, а также имплантируемых тканеинженерных конструкций.

Электроспиннинг позволяет создать микро- и нановолокна из полимерного раствора или расплава под действием электростатических сил. К капле прикладывается высокое напряжение (~20 кВ), в результате чего она электризуется и начинает вытягиваться в тонкое волокно, когда сила кулоновского отталкивания превышает силу поверхностного натяжения. Метод электроспиннинга достаточно гибкий: в состав матриксов можно вводить различные компоненты: микро- и наночастицы различной природы, углеродные нанотрубки, флуоресцентные красители, лекарственные и антисептические средства, смеси полимеров и биополимеров. Это позволяет тонко настраивать свойства матриксов для решения конкретной практический задачи.

Белок-полимерные матриксы

Часто в качестве базового элемента матрикса используется полимер-носитель, обеспечивающий стабильное формирование волокон, к которому можно добавить дополнительные компоненты. Для биомедицинских целей используют биодеградируемые и биосовместимые полимеры. Один из наиболее популярных — полилактид (ПЛА), он используется для изготовления биоразлагаемых упаковок, в качестве чернил для 3D-принтеров, также из него изготавливают хирургические шовные нити и штифты.

Основной недостаток ПЛА для использования в биомедицине — плохая смачиваемость и, как следствие, плохая адгезия клеток. Для того, чтобы решить эту проблему, в состав матриксов вводят белки, поскольку они нетоксичны, гидрофильны, естественным путем выводятся из организма, а также могут выступать как терапевтические препараты.

Авторы работы исследовали смесевые матриксы из ПЛА и белка бычьего сывороточного альбумина (БСА), полученные методом электроспиннинга. БСА — водорастворимый глобулярный белок, ПЛА в воде нерастворим. Авторы обнаружили, что в водной среде белковая компонента выходит из состава матрикса (растворяется) постепенно: в течение недели высвобождается около половины всего содержащегося белка. Этот эффект можно использовать для пролонгированного высвобождения белковых лекарственных средств.

Рисунок. EDX анализ волокон из ПЛА (верхняя строчка), БСА (средняя строчка) и смеси ПЛА-БСА в равных пропорциях (нижняя строчка). Цветные снимки показывают карты волокон по углероду (зеленый), кислороду (желтый) и азоту (красный). Наличие азота говорит о присутствии белка / ©pubs.rsc.org

Для возможности предсказания свойств смесевых матриксов ученые исследовали распределение белковой компоненты в их составе. Дело в том, что большинство полимеров между собой плохо смешиваются, то есть в системе «полимер — белок — растворитель» происходит фазовое разделение компонент, и вместо общего раствора образуются два отдельных раствора полимера и белка в одной пробирке. Выбранная исследователями смесь ПЛА и БСА — не исключение. Однако электроспиннинг позволил преодолеть фазовое разделение: ученые показали, что обе компоненты присутствуют в каждом волокне, тремя независимыми методами: флуоресцентной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии(EDX) и спектроскопии комбинационного рассеяния отдельных волокон.