Биоимплантаты получаются экологически чистые и способствуют заживлению

Группа российских исследователей изучила процессы разрушения полиоксиалканоатов — экологически чистых и безопасных бактериальных полимеров. Оказалось, что судьба материала сильно зависит от его состава и наноструктуры: знание этих параметров позволяет предсказать поведение полимера в растворе на полгода вперед. Более того, можно подобрать такую композицию, при которой механические свойства разрушающегося вещества не будут изменяться совсем. Полученные знания помогут создать новые биоразлагаемые материалы для медицины. Работа поддержана президентской программой Российского научного фонда (РНФ).

«Мы разрабатываем заплату стенки кишечника, которая смогла бы способствовать заживлению повреждений. Для этого очень важно уметь предсказывать изменения свойств полимерных изделий, контактирующих с тканями человека и с бактериями в его организме»,— говорит Вера Воинова, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Микроорганизмы используют полиоксиалканоаты в качестве запасающих веществ, наподобие того, как животные накапливают жир на черный день. Эти вещества безопасны для окружающей среды и не наносят вреда тканям человека при контакте с ними. Более того, полиоксиалканоаты могут разрушаться до безвредных соединений клеточными ферментами, например липазами, и по мере разрушения замещаться собственными тканями пациента. Синтетические аналоги полиоксиалканоатов уже используются для создания резорбируемых медицинских имплантатов — эндопротезов и шовных нитей. Однако, несмотря на широкое применение в медицине, не ясно, как со временем меняются их свойства. Известен случай, когда один из видов этих имплантатов был признан небезопасным спустя год использования: из-за снижения прочности эндопротез разрушался до крупных частиц, которые закупоривали сосуды. Изучение механических свойств биоразлагаемых соединений имеет большое значение для практической медицины.

Механические свойства материалов из полиоксиалканоатов зависят от их состава и наноструктуры. Основу материала представляют полимерные цепи, которые уложены двумя способами — случайно или в виде упорядоченных складок. Чем больше упорядоченных структур, тем более хрупкий пластик получается. Полимерные цепи из молекул 3-оксибутирата (3-ОБ) образуют именно его. Чтобы улучшить свойства и сделать его более эластичным, к 3-ОБ добавляют молекулы 3-оксивалерата (3-ОВ) с боковым «хвостом», который вносит хаос в жесткую структуру пластика. В этой работе ученые исследовали поведение пяти полимеров с разным соотношением 3-ОБ и 3-ОВ. Образцы помещали в раствор, похожий по составу на внутренние жидкости организма человека, с липазой и без нее и полгода наблюдали за процессом деградации.

Липаза в растворе вызывает волнообразное изменение строения материала: при разрыве цепей в области случайных структур освободившиеся концы сворачиваются в упорядоченные складки, и наоборот, при разрыве цепей в складках концы теряют упорядоченность. Ученые выяснили, что долговременный тренд этого изменения зависит от состава и исходной наноструктуры. Так, при содержании 3-ОВ менее 6% упорядоченные складки составляют больше половины материала и со временем их становится все больше и больше. Если же 3-ОВ больше 6%, то материал исходно состоит в основном из случайно уложенных (распределенных) структур, которых со временем становится больше, и пластик размягчается. Авторы объясняют этот эффект тем, что «хвосты» 3-ОВ как бы расшатывают структуру полимера и мешают появляться новым складкам. При этом ученые показали, что при 6% 3-ОВ упорядоченность молекул в полимере практически не изменяется в процессе их разложения.

«Наноструктура биополимера определяет прочность, важную для медицинских изделий. В процессе биодеградации пластик с исходно высокой упорядоченностью будет постепенно увеличивать прочность. Тем не менее так будет лишь до некоторого момента, после которого полимерное изделие быстро разрушится на мелкие фрагменты. Пластик с большим содержанием неупорядоченно уложенных цепей будет терять прочность постепенно. Лишь изделия из полимеров с равными долями упорядоченных и неупорядоченных структур будут вести себя стабильно в процессе биодеградации,— поясняет Вера Воинова.— Мы показали, что такое переходное состояние действительно существует и соответствует 6% содержанию 3-оксивалерата».

Работа выполнена учеными из ФИЦ биотехнологии РАН, Института химической физики имени Н. Н. Семенова РАН и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) при участии коллег из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов (Троицк, Москва).

«Comparative Structure-Property Characterization of Poly(3-Hydroxybutyrate-Co-3-Hydroxyvalerate)s Films under Hydrolytic and Enzymatic Degradation: Finding a Transition Point in 3-Hydroxyvalerate Content»; Vsevolod A. Zhuikov, Yuliya V. Zhuikova, Tatiana K. Makhina, Vera L. Myshkina, Alexey Rusakov, Alexey Useinov, Vera V. Voinova, Garina A. Bonartseva, Alexandr A. Berlin, Anton P. Bonartsev, Alexey L. Iordanskii; журнал Polymers, апрель 2020 г.