Российские биофизики предложили получать полимерно-белковые полотна электропрядением

Российские ученые разработали способ производства полимерно-белковых полотен методом электропрядения из растворителя и несмешивающейся пары полимера и белка. Статья опубликована в журнале RSC Advances.

Электропрядение - метод получения полимерных покрытий из нитей с помощью приложения высокого напряжения к вытекающему раствору полимера, за счет чего нити получаются более тонкими, чем при обычном выдавливании полимера через сопло. Электропряденные полотна могут быть использованы в качестве субстратов для клеточных культур, перевязочных материалов и в области тканевой инженерии. Полимерно-белковые полотна, полученные этим методом, обладают высокой биосовместимостью и могут быть использованы в качестве источника пролонгированного высвобождения лекарств, белков и пептидов.

Однако большинство пар белок-полимер не смешиваются между собой, из-за чего происходит фазовое расслоение, что негативно отражается на структуре, свойствах и морфологии полотна. Существующие немногочисленные работы уже доказали возможность существования гомогенного полотна из несмешивающихся пар кератина и полиамида или желатина и полилактида.

Елизавета Павлова (Elizaveta Pavlova) и ее коллеги из МГУ, МФТИ и ФНКЦ физико-химической медицины исследовали морфологию электропряденных полотен из раствора полилактида и бычьего сывороточного альбумина в 1,1,1,3,3,3-гексафторо-2-пропиловом спирте. Биофизики построили фазовую диаграмму трехкомпонентной смеси и выяснили, что раствор смеси остается гомогенным только при относительно маленьких концентрациях или при превалирующей концентрации полимера или белка, когда система может рассматриваться как двухкомпонентная. Наличие спинодальной кривой - соотношения веществ, в котором компоненты смеси начинают расслаиваться - характеризует все подобные системы растворителя и пары несмешивающихся полимера и белка.

Полотно, полученное из смеси растворителя и альбумина, при низкой концентрации белка выглядело, как лопнувшие шарики, так как из-за малой вязкости раствора происходило в большей степени электрораспыление. При повышении концентрации количество таких шаров уменьшалось, и в конечном итоге волокна полотна стали лентообразными. При получении полотна из раствора полилактида при низкой концентрации полимера образец выглядел, как нити с бисеровидными вкраплениями, а при увеличении концентрации происходило растяжение вкраплений и полное их исчезновение при большой концентрации. Такое поведение присуще и другим полимерам: полистиролу, полиметилметакрилату и другим распространенным полимерам. При большой концентрации полимера начали проявляться ленты среди нитей, что исследователи объяснили большей плотностью заряда в единице длины волокна, с которой связано большее кулоновское отталкивание молекул друг от друга с образованием плоских лент. Полотно из смеси белка с полимером выглядело так же, как и полотно из чистого полимера.

Биофизики изучили распределение компонентов внутри получаемых лент и нитей с помощью методов флуоресцентной микроскопии с помощью окраски альбумина Родамином Б, энергодисперсионной рентгеновской и Рамановской микроспектроскопии. Измерения образца, полученного из смеси с соотношением из области расслоения фаз на фазовой диаграмме, показали, что и нити, и ленты содержат оба компонента. Благодаря Рамановской спектроскопии было установлено, что соотношения компонентов разнятся от одной нити или ленты к другой. Однако полотно, полученное из смеси компонентов с концентрациями из области гомогенности, получилось более однородным во всех волокнах.
Биофизики доказали, что обильное перемешивание важно для технологического процесса, получив полотна из расслоившегося за 7 дней раствора. Полотна, полученные из разделенных растворов после расслаивания, соответствовали полотнам из чистого белка и чистого полимера.

Высвобождение бычьего сывороточного альбумина из полотна происходило равномерно, что важно для применения в качестве пролонгированного источника лекарства. Так, 50 процентов белка перешло в раствор после 10 дней нахождения в воде. По словам автора статьи, скорость высвобождения можно изменять, варьируя состав исходной смеси или напряжение источника при электропрядении, а следовательно и морфологию полотна, что позволит применять лекарства с варьируемым временем высвобождения в перевязочных материалах для ран и ожогов.

Два года назад американские ученые поставили схожую задачу — они получили наночастицы с равномерным распределением металлов. Методом теплового шока у них получилось смешать восемь металлов в одной частице.