Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В повседневной жизни мы используем множество изделий из нетканых материалов, т.е. таких, которые состоят из хаотично зацепленных нитей и волокон. Из нетканки состоят пеленки и салфетки, элементы одежды и обуви, сумки, наполнители для одеял и подушек, перевязочные материалы, и многое другое. Среди всех методов производства нетканых материалов особое место занимает электроспиннинг (электроформование) – он позволяет получить пленку, состоящую из волокон с диаметром ~100 нм. Это в 10-100 раз меньше, чем диаметр волокна нетканого материала, изготовленного традиционными методами. Для сравнения, типичный размер бактерии составляет ~1000 нм. Оказалось, что нетканые пленки, сформированные методом электроспиннинга, по своей структуре напоминают внеклеточный матрикс. К электроспиннингу обращаются при производстве рассасывающихся раневых повязок, искусственной кожи, субстратов для культивирования клеток, и других биомедицинских изделий. Для придания изделиям биологической активности в их состав иногда добавляют ферменты, факторы роста или другие белки. При этом мало кто занимался проблемой структуры белок-содержащих электроформованных пленок. Как добавка белка влияет на морфологию пленок? На их механические свойства? На их растворимость? На биологические свойства? В данном проекте мы пытаемся ответить на эти вопросы на примере полиэфир-белковых пленок, состоящих из полилактида, биосовместимого рассасывающегося полимера, и белков крови – альбумина и фибриногена. Нами были выбраны условия приготовления электроформованных белок-содержащих пленок и методами микроскопии высокого разрешения исследована их структура. Было обнаружено, что, несмотря на низкую термодинамическую совместимость полилактида с белками, из них можно приготовить такую пленку, что в каждом отдельном волокне содержатся обе компоненты. Начаты эксперименты по исследованию биосовместимости электроформованных пленок. https://nplus1.ru/news/2020/03/20/electrospun-polymerprotein-mats https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/119088-rossijskie-uchenye-razrabotali-nanoupakovku-dlya-medlennogo-vysvobozhdeniya-lekarstv https://www.rscf.ru/news/presidential-program/v-rossii-sozdali-biovolokno-dlya-vysvobozhdeniya-lekarstv/?fbclid=IwAR0QJ9Yxq_k6YpFpWdJbhldj191F78KIzg-_P9A-S0YgUaWOwrwB3_mNdUI#%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%83%D0%BA%D0%B8_%D0%A0%D0%9D%D0%A4

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В продолжение работ предыдущего этапа мы исследовали биосовместимость полимер-белковых матриксов in vitro. Для этого была исследована их способность поддерживать пролиферацию фибробластов линии 3Т3. Оказалось, что на контрольных матриксах из ПЛА клетки растут не хуже, чем на белок-содержащих матриксах (двухкомпонентных ПЛА-БСА или ПЛА-фибриноген). Как присутствие белка в составе электроформованного матрикса влияет на его свойства? Для ответа на этот вопрос мы исследовали матриксы из смесей ПЛА-БСА и контрольные матриксы из чистого ПЛА. Мы варьировали не только состав матриксов, но и условия их приготовления, например условия перемешивания смеси «полимер-белок-растворитель», которую загружали в шприц для электроспиннинга. Если на предыдущем этапе мы сосредоточились на измерениях структуры матриксов, то на этом этапе – на механических свойствах, кинетике деградации и смачиваемости поверхности. Увеличение процентного содержания БСА в составе матриксов сопровождалось существенным уменьшением предельного удлинения при разрыве и прочности, а также снижением модуля Юнга. Это интуитивно ожидаемый результат, ведь БСА – это глобулярный белок, и матриксы из него априори обладают более низкими механическими характеристиками, чем матриксы из ПЛА. Нами обнаружено неожиданно слабое влияние фазового разделения в трехкомпонентной смеси, подвергаемой электроспиннингу, на свойства матриксов, изготовленных из этой смеси. Можно было ожидать, что матрикс, изготовленный из гетерогенной смеси, сам по себе тоже будет гетерогенным, и неоднородности структуры будут ухудшать механические свойства. Тем не менее, в эксперименте такого эффекта не наблюдалось. Оказалось, что однородность матрикса слабо влияет на его механику, зато значительно влияют дефекты структуры (капли и утолщения волокон), которые появляются при неоптимальных параметрах электроспиннинга. Аналогично, оказалось, что неоднородность смеси «полимер-белок-растворитель», используемой для изготовления матрикса, слабо влияет на смачиваемость. Краевой угол смачивания существеннее менялся при вариации диаметров волокон матрикса, чем при вариации состава. Для интерпретации данных о смачиваемости была предложена теоретическая модель для расчета смачиваемости нетканых материалов, в том числе, электроформованных. Отличие этой модели от других состоит в том, что в ней учитываются не только волокна и воздух между ними, но и гладкая подложка, расположенная параллельно волокнам. Это позволяет использовать модель для оценки смачиваемости не только электроформованных матриксов, но и отдельных волокон, осажденных на коллектор. Одной из особенностей полилактида и многих других полиэфиров является медленная деградация (приблизительно полгода для аморфного ПЛА и до двух лет для полукристаллического ПЛА), и она может быть ускорена за счет введения в состав матрикса водорастворимой компоненты (белка). На примере ПЛА-БСА показано, что введение водорастворимого белка в состав матрикса ускоряет его деградацию в водном растворе за счет действия двух механизмов. Во-первых, белок высвобождается в раствор, при этом масса матрикса снижается. Во-вторых, при вымывании белок оставляет поры, которые делают нерастворимую часть матрикса более доступной для воды – и тем самым способствуют ее более быстрой гидролитической деградации. Эти особенности могут быть использованы для изготовления материалов с контролируемой кинетикой деградации.