Пористый гидрогель переместил мягкие ткани без повреждения

Ученые из США, Южной Кореи и Японии разработали захват для небольших хрупких и непрочных объектов — к примеру, фрагментов живых тканей. Он состоит из перпендикулярных каналов, которые могут расширяться и сужаться под действием тепла и тем самым увеличивать или уменьшать уровень адгезии. Статья опубликована в журнале Science Advances.

В последние годы ученые и медики добились больших успехов в создании искусственных конструктов тканей, в том числе тонких пленок толщиной в несколько клеток. Также продвинулись вперед и разработки по сетчатым электродам для регистрации активности нейронов или наоборот их стимуляции. В обоих случаях при имплантации ткани или электродов врачам приходится иметь дело с объектами, требующими очень аккуратного обращения.

Ученые под руководством Кон Хён Джуна (Hyunjoon Kong) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Университета Ёнсе создали плоский захват, способный прикрепляться к тонким образцам. Основная часть захвата (которая контактирует с предметами) — это круглая пленка с множеством микроканалов. Исследователи создали ее с помощью вымораживания PNIPAAm-гидрогеля. Они поместили водный раствор с прекурсорами на сосуд с жидким азотом. Из-за этого водная часть раствора стала застывать и образовывать отдельные кристаллы, а остальные компоненты из-за уменьшенной растворимости стали концентрироваться на краях кристаллов. Также важная деталь процесса заключается в том, что, поскольку охлаждение азотом велось только с одной стороны, в растворе возникал градиент температуры и кристаллы льда росли со дна к верхней части сосуда. В результате в нем образовались столбчатые кристаллы льда с небольшими (около 200 нанометров) стенками из полимерного прекурсора между ними, который затем полимеризовали с помощью ультрафиолетового излучения. После удаления льда осталась пластина из гидрогеля с вертикальными каналами со средним диаметром около 20 микрометров.

Эта пластина способна удерживать предметы благодаря комбинации ее строения и свойства материала. Дело в том, что гидрогель, из которого состоит пластина, при нагревании выше 32 градусов Цельсия переходит в дегидрированное состояние и значительно уменьшается в размерах. При нагревании пластины ее каналы уменьшаются и в них образуется отрицательное (относительное) давление, которое прижимает прислоненный предмет. Для удобства нагревания исследователи наклеили на верхнюю часть пластины массив медных электродов, который при подаче тока быстро и равномерно увеличивает температуру и тем самым активирует захват. Чтобы захватить предмет, пластину необходимо нагреть, прислонить, затем прекратить нагрев, чтобы она охладилась и микроканалы уменьшились, перенести в нужное место и снова расширить каналы нагревом.

После сборки захвата авторы показали его потенциальное применение в медицине. В одной из демонстраций они успешно переместили пленку из миобластов на мышечную ткань, в другой сумели доставить пленку из стволовых клеток на роговицу живого кролика и затем подтвердили гистологическим исследованием, что стволовые клетки прикрепились к верхнему слою роговицы. Также они смогли без повреждений переместить на поверхность свиного сердца массив электродов толщиной в микрометр. После этого они с помощью дополнительных электродов стимулировали мыщцы сердца и считывали активность массивом электродов, нанесенных с помощью нового захвата. Считываемые показания по форме были почти идентичны тем, которые подавались на стимулирующие электроды.

Недавно ученые представили метод, который в перспективе может позволить избавиться от необходимости в перемещении фрагментов тканей. Они научились вводить в нужное место организма раствор с клетками, который затем можно затвердить с помощью облучения.

Григорий Копиев