Ученые из Московского физико-технического института вместе с коллегами из университетов Канады собрали композитный гидрогель из стержнеобразных наночастиц целлюлозы и синтетического сополимера. Меняя всего один параметр — долю сшивающих групп в полимере, они управляли жесткостью и нелинейным механическим откликом геля в широких пределах, тогда как строение сетки гидрогеля оставалось прежним, сообщили в пресс-службе вуза.
Наши ткани — мышцы, кожа, связки — держатся на каркасе из белковых нитей. Этот каркас не просто поддерживает клетки. Он служит для них источником сигналов: в зависимости от того, насколько он упругий и как деформируется, клетка решает — ползти ей дальше, делиться или превращаться в другой тип.
У биологических каркасов есть два свойства. Чем сильнее их тянешь, тем они становятся жестче. А если слегка сжать, наоборот, размягчаются. Искусственные гели обычно так не умеют: они недостаточно сопротивляются сдвигу и упрочняются при сжатии. Такое поведение связывают с волокнистой структурой.
Когда механика нарушается — при травмах, фиброзе, раке или старении — это отражается на клетках. Чтобы понять, как именно, ученым нужна искусственная модель с такими же свойствами. Но раньше была проблема: как ни настраивай синтетический гель, вместе с жесткостью всегда менялась и сама сетка — размер пор, толщина волокон. И нельзя было понять, на что реагирует клетка: на жесткость волокон или на новое строение сетки.
Исследователи пошли другим путем. Они собрали гель из наностержней целлюлозы длиной около 145 нм. Их скрепили синтетическим сополимером с помощью химических «замочков» — сшивающих групп. При этом меняли лишь число таких замочков. Геометрия сетки оставалась неизменной.
В итоге структура геля — диаметр волокон, размер пор — осталась одинаковой во всех образцах. А жесткость изменилась в десятки и сотни раз: от почти водянистого состояния до очень плотного. Мягкая сетка будто сделана из желе, жесткая — будто из стальных канатов. Диаметр волокон и их размеры одинаковы, но сами волокна сильно отличаются по жесткости.
Поведение при растяжении и сжатии стало почти как у биологических тканей: при растяжении гель резко твердел, при легком сжатии размягчался. И все это управлялось простой регулировкой числа химических связей. Правда, перебарщивать с «замочками» не стоит: самый плотный образец ломался раньше, чем успевал показать нелинейные эффекты, и начинал вести себя как обычный синтетический гель.
Обычно, делая гель жестче, мы неизбежно меняем и его сетку — другой размер пор, другая толщина волокон, и потом не понять, что именно повлияло на изменение механики и поведение клеток. Нам хотелось развести эти вещи. Оказалось, достаточно менять долю гидразидных групп в сополимере: строение геля остается тем же, а жесткость и нелинейный механический отклик перестраиваются в широких пределах вплоть до исчезновения.
Теперь у биологов есть удобный инструмент: можно взять несколько гелей с одинаковой структурой, но разной жесткостью и выращивать на них клетки. Сравнивая поведение клеток, можно точно определить, реагируют они именно на упругость или на что-то другое. Это открывает прямой путь к созданию моделей для изучения фиброза, опухолевой среды, а также к разработкам в тканевой инженерии и регенеративной медицине.
Работа опубликована в журнале Materials Horizons. В исследовании участвовали сотрудники МФТИ, университетов Торонто и Далхаузи.
Ранее Наука Mail писала о «геле» для запечатывания трещин в нефтяных скважинах.