Иммунная система человека различает эндогенные и инородные тела. Это очень полезно при защите организма от болезнетворных микроорганизмов, но может стать проблемой, если пациенту требуется искусственный имплант, такой как кардиостимулятор или устройство для сердечно-сосудистых заболеваний. В некоторых случаях организм реагирует воспалением, а может и вовсе отказываться от устройства.
Исследователи из ETH Zurich теперь представляют многообещающий метод улучшения этого процесса — изготовление предварительно структурированных целлюлозных материалов, которые покрывают или покрывают устройства трехмерными микроструктурами и, таким образом, делают их исключительно биосовместимыми.Исследователи уже обнаружили, что клетки лучше взаимодействуют с шероховатыми или структурированными поверхностями, чем с гладкими, и могут более эффективно цепляться за них. Однако до сих пор не удавалось применить эти поверхностные структуры к одному из самых многообещающих материалов в области медицины: целлюлозе, продуцируемой бактериями.
В последние годы бактериальная целлюлоза привлекла большое внимание в исследованиях из-за того, что она долговечна, легко адаптируется и хорошо переносится человеческим организмом. Например, уже проводятся практические испытания искусственных кровеносных сосудов и хрящей, изготовленных с использованием бактериальной целлюлозы. Универсальный материал также является эффективным вариантом для использования в качестве перевязочного материала для ран.Исследовательской группе под руководством профессора ETH Димоса Пуликакоса и Альдо Феррари из Лаборатории термодинамики в Emerging Technologies удалось создать бактериальную целлюлозу с контролируемой структурой поверхности.
Его изготавливают с помощью кремниевой формы с трехмерной оптимизированной геометрией (такой как линейная сетка) в микрометровом масштабе, которая затем плавает на поверхности питательного раствора, в котором растут бактерии, продуцирующие целлюлозу. Бактерии создают плотную сеть нитей целлюлозы на границе раздела между жидкостью и воздухом.
Исследователи заметили, что когда присутствовала плесень, бактерии соответствовали ей, создавая слой целлюлозы вместе с отрицательной копией линейной сетки.Структура поверхности передает сигналы клеткамЛинейная сетка также позволяла бактериям производить увеличенное количество целлюлозных нитей, приблизительно выровненных с сеткой. «В принципе, человеческие клетки обладают способностью идентифицировать волокна, такие как эндогенный коллаген, как часть соединительной ткани», — объясняет Альдо Феррари. Нити целлюлозы и сетка обеспечивают ориентацию ячеек вдоль заданных путей, которые они могут ощущать. «Это очень важно для повязок на рану.
Клетки кожи могли бы расти поверх раны более эффективно, если бы они двигались в соответствии со структурированной целлюлозой». Материал также обладает своего рода памятью: структура сохраняется даже при сушке целлюлозы для хранения и повторном увлажнении непосредственно перед использованием.Поуликакос объясняет, что при производстве целлюлозных поверхностей теперь можно передать им сообщение для клеток, которые будут там расти в будущем. «Думайте об этом как о форме шрифта Брайля».
Это позволяет записать на поверхность правильное «сообщение», предназначенное для последующего использования.Меньше воспалений благодаря структурированной поверхностиТакие структуры служат не только средством ориентации клеток, но и помогают минимизировать реакцию отторжения организма на искусственный имплант. В исследованиях с использованием мышей исследователи сравнили гладкую и структурированную целлюлозу и обнаружили, что у мышей со структурированной целлюлозой, введенной под кожу, было значительно меньше признаков воспаления.
В настоящее время исследователи стремятся развить эти первоначальные многообещающие результаты, протестировав материал в более сложных условиях. Они могут, например, структурировать целлюлозную поверхность искусственных кровеносных сосудов таким образом, чтобы оптимизировать поток крови, тем самым гарантируя, что эти сосуды не будут так легко заблокированы.Кроме того, исследователи, работающие с Пуликакосом и Феррари, основали спин-офф Hylomorph, чтобы сделать метод готовым для рынка. «Мы планируем применить структурированную целлюлозу в рамках проекта« Сердце Цюриха »в новом Центре трансляции Wyss», — говорит Пуликакос.
Целью этого проекта является разработка искусственных насосных устройств для сердца, которые помогут пациентам с серьезными проблемами с сердцем в период до того, как станет доступен донор сердца — их можно даже использовать в качестве постоянной альтернативы донорскому сердцу. Хотя сердечные насосы уже доступны, возможности, которые они предоставляют, до сих пор были ограничены, поскольку они не особенно долговечны и могут вызвать осложнения. «Наша цель состоит в том, чтобы искусственные имплантаты воспринимались организмом пациента без воспаления или отторжения», — поясняет Феррари.
В рамках проекта Zurich Heart исследователи, по сути, помогают разработать упаковку и внутреннее покрытие для оптимизированных сердечных насосов. Цель — минимизировать количество осложнений в будущем.