18.01.2024

Биоинженеры МГУ показали способность пьезоактивного биоматериала регулировать адгезию бактерий под воздействием внешнего магнитного поля

Ученые МГУ научились с помощью магнитного поля и пьезоэффекта управлять адгезией бактерий к имплантатам для регенеративной медицины

Биоинженеры и биохимики биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с химиками и физиками Томского политехнического университета разработали пьезоактивные биоматериалы, адгезия бактерий к которым управляется внешним магнитным полем. Исследование опубликовано в International Journal of Molecular Sciences.

Рисунок 1. Схема эксперимента по исследованию воздействия пьезоэффекта, вызванного внешним низкочастотным магнитным полем в полимерном биоматериале с магнитными наночастицами, на адгезию к нему Грамотрицательных и Грамположительных бактерий.

Соединительные ткани человеческого организма, такие как костная, хрящевая, ткани сухожилий, кожи и связок обладают пьезоэлектрическими свойствами. Это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд на их поверхности в ответ на механическую деформацию. Возникающее таким образом электрическое поле, например, при ритмической механической нагрузке на кости, хрящи и связки, во время ходьбы регулирует нормальное функционирование клеток этих тканей, в том числе регенерацию тканей при их повреждении. Удивительно, но и некоторые полимеры бактериального происхождения, такие как поли-3-оксибутират и его сополимеры, также обладают пьезоэлектрическими свойствами. И если исследования влияния пьезоэффекта на клетки животных проводятся, то его роль для бактерий остается практически неизученной. Кроме того, эти бактериальные полимеры обладают высокой биосовместимостью и способностью к биоразложению, что делает их высоко перспективными для конструирования тканеинженерных скаффолдов и имплантатов для регенеративной медицины.

В связи с этим ученые использовали поли-3-оксибутират, чтобы создать новый искусственный биоматериала с комплексной имитацией не только структуры и физико-химических свойств соединительной ткани, но и ее пьезоэлектрических свойств. Прежде всего был получен поли-3-оксибутират с заданной химической структурой путем контролируемого бактериального биосинтеза. Затем для имитации структуры соединительной ткани, которая состоит из переплетения полимерных волокон, был использован метод электроформования для создания из поли-3-оксибутрата волокнистых скаффолдов. Для многократного усиления пьезоэлектрического эффекта в полимерную основу поли-3-оксибутирата ученые добавили магнитоактивные наноматериалы – наночастицы магнетита и их комплексы с оксидом графена, что позволило включать и выключать генерацию электрического поля на поверхности такого материала при помощи внешнего переменного магнитного поля. Для этой же цели они сконструировали уникальную установку по генерации внешнего магнитного поля низкой частоты (около 1 Гц).

Учитывая, что исследуемый биоматериал имеет бактериальное происхождение, его способность управлять поведением живых клеток была исследована на бактериях при воздействии на них внешнего магнитного поля.

«Для выявления способности нашего пьезоактивного биоматериала управлять поведением клеток мы выбрали 2 разных вида бактерий: Грамотрицательные Escherichia coli и Грамположительные Lactobacillus fermentum. Мы увидели, что внешнее магнитное поле вызывало выраженное проявление пьезоэффекта в полимерном биоматериале с магнитными наночастицами и его биологического действия на клетки, что выражалось в уменьшении адгезии к поверхности скаффолдов лактобактерий почти в 2 раза. Тогда как проявление пьезоэффекта по отношению к E.coli было гораздо менее выражено, но зато было выявлено выраженное действие самого магнитного поля на адгезию этих бактерий к поверхности полимерного биоматериала, к которому не были добавлены магнитные наночастицы. А этого, в свою очередь, не наблюдалось в случае лактобактерий, — рассказывает руководитель работы, доцент кафедры биоинженерии биологического факультета Антон Бонарцев. — Таким образом, мы показали способность как с помощью пьезоэффекта, так и с помощью прямого воздействия магнитного поля регулировать адгезию бактерий к полимерным биоматериалам, причем, оба фактора действовали совершенно по-разному на Грамотрицательные и Грамположительные бактерии».

Полученные результаты очень важны сразу для нескольких перспективных направлений в биоинженерии: разработки новых имплантируемых пьезоактивных биоматериалов с внешне управляемым магнитным полем воздействием на клетки и ткани, создания пьезоактивных имплантатов, устойчивых к бактериальному инфицированию и образованию на их поверхности биопленок, создания биореакторов со стимулируемым магнитным полем выращиванием бактерий и клеток животных на биополимерных носителях, создания управляемых магнитным полем биосенсоров для диагностики адгезионной способности различных бактерий и других областях. Расширение наших знаний о таких новых явлениях на стыке биологии, химии, физики и медицины, как влияние пьезоэлектрического эффекта биоматериалов на поведение клеток, возможно только при проведении подобных комплексных междисциплинарных исследований.

Рисунок 2. Грамотрицательные бактерии Escherichia coli (сверху) и Грамположительные бактерии Lactobacillus fermentum (внизу), прикрепившиеся к поверхности полимерных волокон пьезоактивного волокнистого скаффолда из композита поли-3-оксибутирата с магнитным наноматериалом (комплексом наночастиц магнетита с оксидом графена).

Источник: Пресс-служба МГУ