Ученые Сибирского федерального университета, Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева и Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» создали пленки и ультратонкие волокна из композитного материала на основе бактериального поли-3-гидроксибутирата и хитозана. Сочетание этих компонентов позволило получить хорошо смачиваемый композит, свойства которого можно настраивать.

Такой материал отлично подходит для создания протезов, оболочки лекарств и других медицинских систем. Исследование опубликовано в International Journal of Biological Macromolecules.

Поли-3-гидроксибутират — один из самых изученных и распространенных бактериальных полимеров на сегодняшний день. У него высокая биосовместимость, его просто производить в бактериальной культуре, а продукты его распада (гидроксимасляная кислота, и далее — диоксид углерода и вода) безопасны для человеческого организма. Этот полимер используется во многих областях: от промышленности и сельского хозяйства до фармакологии и трансплантологии.

Однако у поли-3-гидроксибутирата есть и минусы. Ему не хватает гидрофильности, то есть он слабо взаимодействует с водными растворами. Кроме того, микроструктура поли-3-гидроксибутирата упорядочена и жестка (кристаллична), а потому такой материал не слишком эластичен.

Исследователи создали композит на его основе, добавив вещество, компенсирующее недостатки поли-3-гидроксибутирата. В целом, такой подход не нов; в качестве второго компонента часто используют синтетические, искусственные и природные полимеры. В данном случае был выбран представитель именно последней группы — производное широко распространенного полисахарида хитина хитозан.

Это недорогой, биосовместимый, биоразлагаемый, высокогидрофильный материал с антимикробными свойствами. Кроме того, благодаря наличию в его структуре функциональных боковых групп — гидроксильных, аминных и амидных, можно химически модифицировать композит, не только изменяя имеющиеся характеристики, но и придавая ему совершенно новые свойства.

Ученые создали композит двумя разными способами. Первый предполагал высушивание раствора полимеров на воздухе. Сначала компоненты по отдельности растворяли в гексафторизопропиловом спирте, затем сливали вместе и перемешивали при помощи ультразвука. После раствор выливали на гидрофобную подложку (с нее легко отделить изделие) и оставляли на воздухе до полного испарения спирта на несколько дней. В результате получались полимерные пленки.

Второй способ называется электроспиннинг (электропрядение). Все тот же раствор поли-3-гидроксибутирата и хитозана выходит из капилляра под высоким напряжением — из жидкости вытягивается тонкая струйка. Используемый растворитель очень летуч, и в результате его испарения остается тонкая нить из композита. На ее основе можно получать волокна, трубки, плетеные «маты», напоминающие лоскут ткани.

Чтобы изучить свойства полученных материалов, исследователи создали несколько образцов, в которых различалось соотношение компонентов: 10/90, 20/80, 30/70 и 50/50, хитозан/поли-3-гидроксибутират соответственно. В первую очередь авторов интересовали степень кристалличности композита, его физико-механические и гидрофильные свойства.

Методом электронной микроскопии и инфракрасной спектроскопии ученые выяснили, что хитозан положительно влияет на кристаллизацию поли-3-гидроксибутирата. Так, кристаллизация полимерных пленок уменьшилась в 1,6 раза, а ультратонких волокон в 1,2 раза. Также с ростом содержания производного хитина увеличивалось количество пор, и их распределение по образцу становилось равномернее. Чем более пористый материал, тем лучше он интегрируется в организм: в него лучше проникают клетки и прорастают ткани.

Самыми эффективными стали материалы, содержащие 50% хитозана: водопоглощение полимерных пленок относительно чистых веществ выросло вдвое, а ультратонких волокон — в 3,5 раза.

Также биологи провели эксперименты с фибробластами — классической модельной линией и главными производителями внеклеточного матрикса, к которому в организме прикрепляются клетки различных тканей. По сравнению с чистым поли-3-гидроксибутиратом новый композит обладает лучшей биосовместимостью, то есть эффективнее поддерживает прикрепление, деление и жизнедеятельность клеток. Это может быть связано как с увеличенной гидрофильностью материала, так и со структурированностью композита.

Новый композит нетоксичен и получен из доступных материалов. Высокие гидрофильные способности, а также отличная биосовместимость прекрасно подходят для использования его в регенеративной медицине. Пластыри и бинты из этого материала подойдут для быстрого заживления открытых ран, а протезы из композита в процессе заживления заместятся живыми тканями пациента, что несомненно облегчит восстановление.