Шероховатый биопластик для имплантатов оказался лучше гладкого

Полигидроксиалканоаты (ПГА) - биоразлагаемые полимеры, которые синтезируют бактерии. Они биосовместимы с живыми клетками и тканями и разлагаются в организме на нетоксичные вещества, поэтому считаются идеальными кандидатами для биомедицинских применений. Например, для создания имплантатов, шовных материалов и скаффолдов для тканевой инженерии.

Но мало просто получить биосовместимый материал и медицинское изделие. Нужно, чтобы клетки на нём прикреплялись и росли. Это зависит от рельефа поверхности на микро- и наноуровне. Поэтому текстура поверхности изделия имеет важное значение для использования материала в биомедицинских приложениях.

Учёные Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), Красноярского научного центра Сибирского отделения РАН и Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Нидерландов и США определили, какая толщина и рельеф полимерных ПГА плёнок лучше подходят для прикрепления и роста клеток.

Плёнки были получены из специального биоразлагаемого полимера семейства ПГА. Тип полимера выбрали за удобство в переработке, высокую биосовместимость и экономичность для крупномасштабного биосинтеза.

Плёнки получали из четырёх растворов полимера разной концентрации. Чем концентрированнее был раствор, тем толще и грубее получалась плёнка. На эти плёнки учёные «посадили» клетки миобластов линии C2C12. Эти клетки - предшественники мышечной ткани и один из самых удобных и распространённых объектов для тестирования биоматериалов.

Во время работы перед учёными встал вопрос, как оценить пригодность поверхности для клеток. Обычно исследователи делают такую работу вручную: считают клетки, делают замеры, отдельно описывают рельеф. Это долго, субъективно и плохо переносится на повторные эксперименты. Поэтому авторы разработали воспроизводимый алгоритм, который делает всё то же самое, но автоматически: сегментирует изображения клеток и выдаёт метрики рельефа и самих клеток.

К тому же алгоритм связывает все этапы в одну цепочку: от технологии изготовления плёнки и характеристики ее поверхности до данных, как на ней ведут себя клетки. По словам исследователей, такой подход позволяет не перебирать наугад, а целенаправленно подбирать параметры. Он может быть применим ко всем типам клеток человеческого организма при разработке новых полимерных имплантатов.

«Для этого исследования наша научная группа из научно-образовательного центра инфохимии ИТМО разработала подход, который позволяет автоматически оценивать, как клетки взаимодействуют с поверхностью полимерных пленок. Изображения клеток на снимках, полученных с флуоресцентного микроскопа, сегментируются с помощью свёрточной нейронной сети (CNN), после чего качество сегментации проверяется. Из полученных данных затем выделяются основные характеристики клеток - их форма, размер и другие морфометрические признаки, которые мы сопоставляем с характеристиками поверхности, полученными из изображений, сделанных с помощью атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии (АСМ и СЭМ). Так мы выявляем характеристики поверхности, сильнее всего связанные с биосовместимостью образцов», - отметил доцент, руководитель научной группы биомедицинских вычислений университета ИТМО Павел Зун.

Благодаря алгоритму, учёные фиксировали, как клетки вели себя на плёнках: как они прикрепляются и разрастаются, и насколько эффективно плёнка поддерживает рост ткани. Оказалось, что на более толстых и шероховатых плёнках клетки прикрепляются лучше.

Ключевую роль в этом процессе играют различные неровности на поверхности плёнки, за которые клетки могут зацепиться. Тонкие плёнки, полученные из слабых растворов, имеют преимущественно гладкий рельеф, за который клетки цепляются хуже. Более толстые, наоборот, богаты неровностями и углублениями, что обеспечивает лучшее зацепление, более высокие рост и активность клеток.

«При формировании пленок из более концентрированных и более вязких полимерных растворов растворитель медленнее испаряется. Связано это с тем, что высокая вязкость замедляет движение молекул растворителя из глубины раствора к его поверхности. Полимер при этом кристаллизуется медленнее. Замедленная кристаллизация по мере испарения растворителя сопровождается образованием более крупных и жёстких кристаллических структур, которые и создают более развитую и шероховатую поверхность пленок. Клетки «сажают» на плёнки, как растения на грядку. От того, насколько эта «грядка» рыхлая, зависит, как крепко клетка будет на ней «сидеть» и множиться. Полученные в этой комплексной работе результаты имеют важное значение для проектирования поверхностей изделий биомедицинского назначения на основе ПГА и других полимеров. Применять это можно в тканевой инженерии для создания подложек (скаффолдов), на которых клетки должны активно расти и формировать новую ткань, например, для восстановления мышц, костей, хряща, сосудов и в регенеративной медицине - для имплантатов, которые должны быстро обрастать собственными клетками пациента, формировать новые ткани в месте повреждения и при этом не отторгаться», - комментирует результаты исследования доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией Института биофизики СО РАН и кафедрой биотехнологии СФУ Татьяна Волова.