Искусственная биологическая ткань на основе ДНК и углеродных нанотрубок

Источник: newsland.ru

Для современных имплантов и выращивания искусственных органов и ткани очень важно иметь материалы, характеристики которых близки к природным. Однако, проблема заключается в следующем- ткани человеческого организма имеют такие сочетания свойств, которые трудно воспроизвести искусственным путем: они одновременно и мягкие и очень прочные. Поэтому столь важен успех группы ученых из Австралии и Кореи, разработавших технологию изготовления нового, высокопористого материала, механические характеристики которого очень близки к свойствам биологических мягких тканей.

Результаты исследований, которыми руководили профессора Джеффри Спинкс (Geoffrey M. Spinks) и Сон Йон Ким (Seon Jeong Kim), опубликованы в журнале Angewandte Chemie (Tough Supersoft Sponge Fibers with Tunable Stiffness from a DNA Self-Assembly Technique).

Мягкие ткани нашего тела, такие, как сухожилия, мышцы, артерии, кожа и другие органы обретают механическую прочность благодаря поддержке внеклеточного матрикса, который составляет основу соединительной ткани и формируется из нановолокон. Различная морфология протеинов в внеклеточном матриксе определяет широкий спектр его жесткости. Импланты и опоры для выращивания ткани требуют пористых мягких материалов, которые обычно довольно хрупки. С другой стороны, во многих случаях биологические ткани подвергаются значительным механическим нагрузкам, отсюда- требование к прочности материалов. Важным свойством искусственных материалов является также и эластичность, которая позволяет избежать воспаления.

Новый подход основан на использовании прядей из молекул ДНК в качестве матрицы, которые полностью «обертывают» углеродные нанотрубки, формирующие опорную структуру. Третьим компонентом искусственной ткани является ионная жидкость, способствующая формированию геля. Такой гель при впрыскивании в специальный раствор образует очень тонкие пряди, из которых можно создать ткань – точно так же, как из волокна шелка или синтетического волокна. Высушенные пряди геля имеют пористую губчатую структуру и фактически представляют собой сеть переплетенных нановолокон толщиной порядка 50 нм. Дальнейшее вымачивание в растворе хлорида кальция вызывает более интенсивное переплетение прядей молекул ДНК, уплотняет структуру волокон и, соответственно, упрочняет материал.

Эти губчатые волокна напоминают сети волокон коллагена в биологическом внеклеточном матриксе. Они могут быть связаны, заплетены или сотканы в структуры, подобные ткани. В результате получаются материалы, эластичные подобно самым мягким натуральным тканям человеческого организма и, в то же самое время обладающие высокой прочностью благодаря крепким связям между прядями молекул ДНК.

Дополнительным достоинством нового материала является его электропроводность, благодаря которой такой материал также может быть использован и в не биологических системах, например, механических приводах, устройствах хранения энергии и т.д. В частности, исследователи смогли изготовить сенсор на перекиси водорода, в котором углеродные нанотрубки выступают как катализатор в реакции дальнейшего окисления пероксида. Возникающий при этом электрический ток может быть измерен. Перекись водорода играет определенную роль в нормальной работе сердца и некоторых его болезнях. Поэтому надежный датчик с эластичностью, близкой сердечной мышце, мог бы быть весьма полезен при исследовании этих зависимостей.

Следует отметить, что настоящая работа – не первая в данной области и не единственная, авторы которой разработали последовательность получения искусственного заменителя биологической ткани на основе нанотрубок и молекул ДНК (см., например, здесь). По-видимому, важным достоинством настоящего исследования является его технологическая продвинутость, благодаря которой авторы смогли очертить столь агрессивные перспективы.