Президентская программа
исследовательских проектов

Ученые из России и Швеции разработали новые биокомпозиты на основе паутины, перспективные для биомедицины

Фото: группа Вадима Кесслера и Гуляим Сейсенбаевой из SLU University. Источник: slu.se

Ученые Университета ИТМО в сотрудничестве с коллегами из SLU University (Уппсала, Швеция) разработали биокомпозиты на основе протеинов природной паутины и оптически активных наночастиц. Главная особенность материала — комбинация свойств натуральных шелковых волокон и неорганических синтетических частиц. Биокомпозит обладает уникальными механическими характеристиками и способен давать детектируемый оптический отклик при возбуждении в ближнем инфракрасном диапазоне, что делает его перспективным для биомедицинских применений. Статья опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Разработка новых материалов, обладающих уникальными свойствами, сегодня является одним из приоритетных направлений научно-технологического развития. С развитием нанотехнологий появилась возможность получать качественно новые гибридные материалы с расширенным спектром функциональных свойств.

Одним из наиболее интересных биологических компонентов для создания новых материалов на протяжении многих лет остается паутина, которая по своим качествам превосходит искусственные аналоги. Паутина состоит из белковых молекул, каждая из которых представляет собой длинную цепочку, состоящую из тысяч звеньев аминокислот. Готовое волокно паутины содержит области, в которых несколько белковых цепочек связаны друг с другом с помощью стабильных химических связей. Эти соединения обеспечивают высокую прочность паутины. А находящиеся между этими соединениями несвязанные области обеспечивают паутине высокую эластичность.

Кроме того, паутина обладает рядом интересных биологических свойств — она биосовместима, имеет высокие значения показателей факторов роста клеток и их адгезии (сцепление поверхностей разнородных тел — прим.ред.), а также белки в составе паутины генетически адаптивны. Все это делает ее перспективным материалом для использования в медицине — например, в хирургии и трансплантологии.

В зависимости от того, какими наночастицами модифицирована паутина, возможно придать функциональным гибридным материалам новые свойства, необходимые в конкретной области применения.

Благодаря успешной коллаборации между учеными лаборатории SCAMT Университета ИТМО и группой Вадима Кесслера и Гуляим Сейсенбаевой из SLU University (Швеция) разработаны биокомпозиты на основе протеинов паутины и наночастиц оксидов гафния и циркония, допированных ионами редкоземельных элементов. Исследователи продемонстрировали, что гибридный материал на основе волокон паутины, покрытых равномерным слоем неорганических наночастиц, обладает оптической активностью при сохранении эластичности и прочности материала. Кроме того, была показана биологическая совместимость полученных композитов.

«Нашей задачей было выработать максимально простой, недорогой и безопасный способ получения гибридных материалов. Мы показали, что это возможно при использовании оксидов циркония и гафния, допированных редкоземельными элементами. Сейчас применительно к задачам биовизуализации широко распространены способы, предполагающие использование токсичных оптических агентов, которые необходимо предварительно упаковать в специальные оболочки, и только после этого особыми способами “привязать” к основному веществу. Мы же хотели исключить использование денатурирующих агентов, дополнительных оболочек и при этом создать биологически совместимые, безопасные композиты методом непосредственного прикрепления оптически активных наночастиц к волокнам паутины», — рассказывает первый автор статьи, сотрудница международной лаборатории SCAMT Александра Киселева.

Фото: Александра Киселева. Источник: Университет ИТМО

Полученные композитные волокна можно использовать в качестве высокочувствительного визуализирующего материала, используя эффект апконверсии — это явление позволяет передавать низкоэнергетичное излучение из ближней инфракрасной области (безопасного для живых организмов) в высокоэнергетичное излучение в видимом диапазоне света. Ученые расширили апконверсионные свойства наночастиц на макромасштабные компоненты для получения оптически активных композитных материалов на основе паутины.

В связи с этим модификация паутины с помощью апконверсионных частиц открывает возможность для детектирования и визуализации биоматериалов неинвазивным способом в режиме реального времени. Разработанный материал может стать путем к современным биомедицинским технологиям, добавляют авторы исследования.

Специально для исследования и разработки новых материалов в лаборатории SCAMT был создан инсектарий, где живет порядка 60 пауков двух видов — Linothele fallax и Holothele incei. Как поясняют исследователи, эти виды пауков были выбраны прежде всего благодаря объемам производимой ими паутины. В инсектарии животные содержатся в условиях, максимально приближенных к их естественной среде обитания: на специальном субстрате, при определенных влажности и температуре, которые необходимы конкретному виду.


Фото: инсектарий в лаборатории SCAMT. Источник: Университет ИТМО

Работа по созданию новых биокомпозитов на основе паутины выполняется в рамках Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (грант № 18-79-00269 «Нанобиоархитектоника: направленный дизайн гибридных материалов», руководитель — Елена Кривошапкина, доцент Химико-биологического кластера Университета ИТМО). Его цель — исследование механизмов взаимодействия между склеропротеинами и неорганическими наночастицами, получение на их основе функциональных органо-неорганических нанокомпозитов.

В будущем ученые планируют развивать данное направление исследований, а также продолжить изучение свойств паутины, так как ученым до сих пор не удается воспроизвести в полной мере уникальные характеристики природной паутины. Специалисты по всему миру продолжают открывать новые свойства, которыми обладает этот природный материал. Именно поэтому продолжать работу в этой области сегодня актуально, добавляет автор статьи, сотрудница международной лаборатории SCAMT Александра Киселева.

Недавние новости

Возврат к списку