Исследование физических и биологических свойств нанокомпозитных материалов, полученных с использованием лазерного излучения

Разработан новый метод формирования нанокомпозитных материалов на основе углеродных нанотрубок для регенерации соединительных тканей организма.

Цель. Исследование структуры, механических характеристик и биосовместимости полученных материалов.

Материалы и методы. Основой экспериментальных образцов являлись многостенные и одностенные углеродные нанотрубки, в качестве матрицы использовался бычий сывороточный альбумин. Слой жидкой дисперсии компонентов на кремниевой подложке или в емкости обрабатывался лазерным излучением с образованием объемного нанокомпозитного материала в твердой фазе. Микроструктура полученных образцов была исследована методом рентгеновской микротомографии, прочность на разрыв исследовалась с помощью испытательной машины. Клетки фибробласты инкубировались с экспериментальными образцами в течение 3, 24, 48 и 72 часов, а затем фиксировались глутаровым альдегидом. Рост клеток во время инкубации с образцами был изучен с помощью оптической и атомно-силовой микроскопии.

Результаты. Установлено, что с увеличением концентрации углеродных нанотрубок наблюдается небольшое снижение прочности и увеличение степени деформации. При этом механические параметры образцов соответствовали требованиям, предъявляемым к материалам для восстановления дефектов соединительных тканей. Микроскопические исследования указывают на высокую степень адгезии в процессе взаимодействия клеток с нанокомпозитным материалом, токсического действия образцов на клетки не было обнаружено. Через 3 часа инкубации клетки имели первоначальную округлую форму. Клетки на образцах после 24 часов инкубации начали распространяться по поверхности образцов и имели веретенообразную форму. Через 48 и 72 часа клетки практически образовывали монослой на поверхности образцов.

Заключение. Результаты исследования показывают, что структурные и механические параметры разработанных нанокомпозитных материалов удовлетворяют требованиям биомедицины. Также было показано, что нанокомпозитные материалы не подавляют рост клеток и могут служить в качестве каркаса для регенерации поврежденных тканей.

1. Rider P., Kacarevic Z.P., Alkildani S., et al. Bio-printing of tissue engineering scaffolds. Journal of tissue engineering. 2018; 9: 2041731418802090. https//doi.org/10.1177/2041731418802090. PMID: 30305886

2. Hassan M., Dave K., Chandrawati R., et al. 3D printing of biopolymer nanocomposites for tissue engineering: Nanomaterials, processing and structure-function relation. European Polymer Journal. 2019; 121: 109340. https//doi.org/10.1016/j.eur-polymj.2019.109340

3. Roseti L., Parisi V., Petretta M., et al. Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives. Materials Science and Engineering: C. 2017; 78: 1246-1262. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.05.017. PMID: 28575964

4. Qu H., Fu H., Han Z., et al. Biomaterials for bone tissue engineering scaffolds: a review. RSC advances. 2019; 9(45): 2625226262. https://doi.org/10.1039/C9RA05214C

5. 5. Zhang Y., LiuX., ZengL., et al. Polymer fiber scaffolds for bone and cartilage tissue engineering. Advanced Functional Materials. 2019; 29(36): 1903279. https://doi.org/10.1002/adfm.201903279

6. Asghari F., Samiei M., Adibkia K., et al. Biodegradable and bio-compatible polymers for tissue engineering application: a review. Artificial cells, nanomedicine, and biotechnology. 2017; 45(2): 185-192. https://doi.org/10.3109/21691401.2016.1146731. PMID: 26923861

7. Dong C., Lv Y. Application of collagen scaffold in tissue engineering: recent advances and new perspectives. Polymers. 2016; 8(2): 42. https://doi.org/10.3390/polym8020042. PMID: 30979136

8. Yadid M., Feiner R., Dvir T. Gold nanoparticle-integrated scaffolds for tissue engineering and regenerative medicine. Nano letters. 2019; 19(4): 2198-2206. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b00472. PMID: 30884238

9. Fathi-AchacheloueiM., Knopf-MarquesH., Ribeiro da Silva C.E., et al. Use of nanoparticles in tissue engineering and regenerative medicine. Frontiers in bioengineering and biotechnology. 2019; 7: 113. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00113. PMID: 31179276

10. Eivazzadeh-Keihan R., Maleki A., De La Guardia M., et al. Carbon based nanomaterials for tissue engineering of bone: Building new bone on small black scaffolds: A review. Journal of advanced research. 2019; 18: 185-201. https://doi.org/10.1016/).jare.2019.03.011. PMID: 31032119

11. ZadehnajarP., AkbariB., Karbasi S., MirmusaviM.H. Preparation and characterization of poly e-caprolactone-gelatin/multi-walled carbon nanotubes electrospun scaffolds for cartilage tissue engineering applications. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials. 2020; 69(5): 326-337. https://doi.org/10.1080/00914037.2018.1563088

12. Cheng Q., Rutledge K., Jabbarzadeh E. Carbon nanotube-poly (lactide-co-glycolide) composite scaffolds for bone tissue engineering applications. Ann Biomed Eng 2013; 41(5): 904-916. https://doi.org/10.1007/s10439-012-0728-8. PMID: 23283475

13. Zarei M., Karbasi S. Evaluation of the effects of multiwalled carbon nanotubes on electrospun poly (3-hydroxybutirate) scaffold for tissue engineering applications. Journal of Porous Materials. 2018; 25(1): 259-272. https://doi.org/10.1007/s10934-017-0439-5

14. Герасименко А.Ю. Лазерное структурирование ансамбля углеродных нанотрубок для создания биосовместимых упорядоченных композиционных материалов. Конденсированные среды и межфазные границы. 2017; 19(4): 489-501. https://doi.org/10.17308/kcmf.2017.19/227

15. Герасименко А.Ю., Рябкин Д.И. Структурные и спектральные особенности композитов на основе белковых сред с одностенными углеродными нанотрубоками. Конденсированные среды и межфазные границы. 2019; 21(2): 191-203. https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/757

16. GoktasS., Dmytryk J.J., McFetridgeP.S. Biomechanical behavior of oral soft tissues. Journal of periodontology. 2011; 82(8): 11781186. https://doi.org/10.1902/jop.2011.100573. PMID: 21309720