Нановолокна в медицине

2025: Рост нейронов при инфракрасном облучении ускорил светочувствительные нановолоконные материалы

Ученые разработали многофункциональные материалы на основе волокон, покрытых слоем полимеризованного дофамина, которые стимулируют рост и развитие нейронов под действием инфракрасного света. Полученные материалы поглощают инфракрасное излучение и управляемо нагреваются, при этом максимальное увеличение внутренней температуры клеток составляет 20°С. Такая стимуляция, в свою очередь, в два раза увеличивает количество нейронов с длиной отростков более 80 микрометров. Так как нервы человека формируются именно отростками нейронов, разработанный материал потенциально может использоваться в медицине для стимуляции роста поврежденных нейронов и восстановления иннервации органов и тканей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Smart Materials in Medicine. Об этом 18 марта 2025 года сообщила пресс-служба РНФ.

Как сообщалось, различные травмы или воспалительные процессы могут привести к разрыву или растяжению нервов у человека и нарушению иннервации конечностей или органов, то есть к повреждению их связи с центральной нервной системой. Поэтому разработка материалов, позволяющих выращивать нервные клетки, — одна из задач регенеративной медицины. Стимулировать рост нейронов можно, например, с помощью фототермических материалов, которые поглощают свет с определенными длинами волн и преобразуют его в тепло. Повышение температуры способствует синтезу белка в клетках и их росту. Однако введение фототермических наночастиц в клетки может и навредить — привести к нарушению клеточных функций и дальнейшему повреждению. Поэтому ученые стремятся получить фототермические материалы, которые будут работать вне клеток.

Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино) разработали материал из нановолокон, покрытых полидофамином. Полидофамин — это полимер, состоящий из молекул дофамина. Он биосовместим и биоразлагаем, то есть не нарушает работу клеток, а также эффективно поглощает инфракрасное излучение. В качестве матрицы исследователи использовали нейлоновые нановолокна, имитирующие структуру внеклеточного матрикса — естественной среды, в которой находятся нервные клетки. Эту матрицу на сутки погружали в раствор соли дофамина, который при температуре 37°С самопроизвольно полимеризовался (собирался в длинные цепочки) на поверхности волокон. Изменяя содержание дофамина в растворе, можно контролировать толщину покрытия.

Исследователи проверили биосовместимость полученных материалов. Для этого из них изготовили подложки, на которых в течение трех суток выращивали клетки нейробластомы человека. Это культура быстрорастущих клеток, полученная из опухоли нервной системы. Она часто используется как модель человеческой нервной ткани. Жизнеспособность клеток зависела от концентрации дофамина, используемого для покрытия. Однако даже при самой большой исходной концентрации (0,5 миллиграмм в миллилитре) на материале выживало 84% клеток. Это говорит о том, что композитные материалы безопасны и не вызывают массовой гибели нервных клеток. Затем ученые проанализировали, как менялась температура в клетках, находящихся на поверхности фототермических волокон, при воздействии инфракрасного облучения. Для этого авторы ввели в клетки краситель родамин B, яркость свечения которого меняется при изменении температуры. Предложенный подход позволил достичь изменения внутриклеточной температуры до 20°С.

Также авторы проверили, как облучение нанокомпозитов инфракрасным светом влияет на развитие нервных клеток. Такое воздействие значительно ускорило рост нейронов: доля отростков длиннее 80 микрометров увеличилась в два раза, а также появились отростки длиной 120–200 микрометров, в то время как без облучения максимальная длина не превышала 80 микрометров.Масштабирование и наведение порядка в сервисе обслуживания медоборудования — опыт компании Медсервиспро

Полученные материалы имеют важную возможность — они способны выделять тепло при облучении светом в ближнем инфракрасном диапазоне. Это так называемое окно биологической прозрачности — такое излучение слабо взаимодействует с живыми тканями и способно проникать в них на глубину до 10 сантиметров. Поэтому на базе таких материалов можно будет создавать имплантируемые медицинские изделия, которые смогут удаленно стимулировать восстановление нервной ткани. За счет этого нагрев можно локализовать строго в нужном месте и избежать термического повреждения окружающих тканей.

Одно из направлений наших исследований — создание вживляемых имплантатов для нейрохирургии, позволяющих соединять разорванные при травмах периферические нервы с последующей фототермической стимуляцией роста нервных окончаний. Также мы ведем совместную работу со специалистами по биопринтингу в направлении создания 3D-печатных тканеинженерных конструкций, позволяющих удаленно контролировать клеточную активность. Такие изделия могут найти применение как в клеточной инженерии для изучения процессов регенерации тканей, так и в трансплантологии. рассказала Ольга Антонова, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН

𝓲

Фото: Ольга Антонова

2022: Синтез наногибридных волокн

Российско-чешский научный коллектив синтезировал биоразлагаемые наногибридные волокна с серебром и медью в составе, которые станут основой самодезинфицирующихся фильтров для защиты от ковида и других вирусов в общественных местах. Об этом 21 февраля 2022 года сообщил университет МИСИС.

Несмотря на многочисленные усилия по замедлению распространения вируса, включая вакцины, диагностические технологии и разработки в области мер наблюдения для отслеживания контактов с ковид-положительными пациентами, быстрый рост заболеваемости не замедлился.

Пандемия COVID-19 выявила потребность в недорогих материалах, которые могут эффективно защищать людей от вирусов, передающихся по воздуху или через поверхности. Поскольку единого решения, предотвращающего распространение вирусных инфекций, до сих пор не существует, необходимы многоступенчатые механизмы персональной защиты, чтобы заблокировать или хотя бы замедлить скорость передачи вируса.

Для решения этой проблемы группа ученых из НИТУ «МИСиС» (Москва), НИИ клинической и экспериментальной лимфологии и НИИ вирусологии РАН (Новосибирск) и Центрально-Европейского технологического института (Брно, Чехия) разработала широкий спектр тонких биоразлагаемых нановолокон, содержащих серебро или медь.

Ученые НИТУ «МИСИС» ведут исследования, направленные на решение самых актуальных задач, стоящих перед человечеством. Среди них – поиск эффективных способов борьбы с распространением коронавирусной инфекции. Одно из направлений работы научно-исследовательской лаборатории «Неорганические наноматериалы», которую возглавляет д.ф.-м.н., профессор Дмитрий Штанский, – создание материалов для биомедицинских целей. Результатом исследования, проведенного учеными лаборатории, стал синтез биоразлагаемых антибактериальных волокон с содержанием серебра или меди, которые могут использоваться для защиты от заражения вирусными инфекциями, в том числе COVID-19, - рассказала ректор НИТУ «МИСИС» Алевтина Черникова.

По словам разработчиков, ультратонкие волокна, полученные методом электроформования, могут применяться в качестве активных фильтрующих слоев благодаря своим физико-химическим свойствам, а именно малому весу, малому размеру пор, высокой проницаемости, высокой удельной поверхности (от 1 до 100 м2/г в зависимости от диаметра волокна и пористости), хорошей взаимосвязи пор и возможности включения активных химических частиц на наноуровне.

Производство одного из видов материала включало в себя осаждение оксида титана с последующей имплантацией ионов серебра в нановолокна поликапролактона. В другом случае, покрытие нановолокон слоем меди было успешно выполнено методом магнетронного распыления. По итогам испытания, противовирусная активность, оцененная по широко используемой методике с культивированием клеток VeroE6, была наибольшей для образцов поликапролактон-медь. Образцы, покрытые оксидом титана с имплантированным серебром, противовирусной активности не показали, - рассказала соавтор исследования, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Елизавета Пермякова.

Как предполагают ученые, эта разница в эффективности действия нановолокнистых материалов, содержащих медь и серебро, может быть связана с различной концентрацией ионов, высвобождаемых из образцов: 80 мкг/л/сутки для Cu2+ против 15 мкг/л/сутки для Ag.

По словам разработчиков, высокая противовирусная активность нановолокон с медью открывает хорошую возможность для подготовки недорогих самодезинфицирующихся материалов для защиты от ковида. Они могут применяться в фильтрации воздуха и для производства лицевых масок, не требующих стирки и дезинфекции.

Грубая оценка структуры затрат на производство масок из нановолокна поликапролактон-медь показала, что изготовление одной лицевой маски будет стоить 0,28 доллара США.

Научная работа выполнена в рамках проекта Российского Фонда Фундаментальных Исследований ( №20-52-26020).

Смотрите также

• Наночастицы в медицине
• Нано-пленки нитрида бора

• Нанопружины
• Нанорешетки
• Нанотрубки

Новые технологии в здравоохранении