Разработка открывает перспективы для мягкой электростимуляции клеток и тканей.
Учёные Лаборатории перспективных радиационных исследований и технологий совместно с НИИ Фармакологии живых систем НИУ «БелГУ» разработали биосовместимый композитный материал, способный преобразовывать небольшие перепады температуры в электрические импульсы. Ключевой результат – придание инертному и биоразлагаемому полимеру PLGA выраженных пироэлектрических свойств, которыми он изначально не обладал.
Ниобат лития (LiNbO₃) известен уникальным сочетанием пиро-, пьезо- и сегнетоэлектрических свойств, а также высокой биосовместимостью. В НИУ «БелГУ» давно исследуют возможности создания компактных источников рентгена на основе монокристаллов ниобата лития и поведение ансамблей таких частиц во внешнем электрическом поле. Новая работа показала: частицы ниобата лития способны кардинально менять электрические характеристики полимерной матрицы, в которую их внедряют.
Суть технологии – управляемое формирование структуры композита. Порошок ниобата лития наносили на подложку из медицинского полимера PLGA, который сам по себе является диэлектриком. Затем образец подвергали воздействию внешнего электрического поля, заставляя кристаллические частицы выстраиваться вдоль силовых линий. После частичного растворения подложки ацетоном полимер превращался в связующее, которое фиксирует упорядоченную структуру. В результате получался композитный интерфейс с макроскопической поляризацией, сохраняющейся после удаления поля.
Учёные Лаборатории перспективных радиационных исследований и технологий под руководством старшего научного сотрудника, кандидата физико-математических наук Андрея Олейника детально изучили, как размер частиц, напряжённость поля и соотношение компонентов влияют на морфологию поверхности и электрический отклик. Ориентированные образцы продемонстрировали измеримый пироэлектрический коэффициент порядка 10⁻⁷ Кл/(м²·°C) и генерировали импульсы напряжения амплитудой от 100 до 400 мВ при изменении температуры всего на несколько градусов. Для сравнения, монокристалл ниобата лития в тех же условиях даёт сигнал на два порядка выше, однако сам факт устойчивого макроскопического отклика в изначально неполярной полимерной матрице принципиально важен.
– Ключевой результат состоит в том, что упорядочивание частиц ниобата лития под действием внешнего электрического поля в неполярной полимерной матрице придаёт композиту измеримый макроскопический пироэлектрический отклик. Именно в этом заключается центральная концепция работы, – рассказал Андрей Олейник.
Учёный отметил, что генерация импульсов носит стохастический характер, а их амплитуда и длительность зависят от размера частиц и параметров температурного воздействия. Композиты с частицами 100–1500 мкм дают самые высокие импульсы, но обладают неоднородной поверхностью, тогда как частицы 10–100 мкм обеспечивают более плоскую морфологию и лучший контакт с электродом.
Андрей Николаевич подчеркнул, что данная работа расширяет понимание того, как взаимное расположение функциональных частиц, межфазные границы и структура композита влияют на его электрические свойства. Полученные результаты могут быть полезны для разработки материалов, преобразующих тепловые воздействия в электрический сигнал, в том числе для электростимуляции биологических объектов.
PLGA выбран не случайно: это биосовместимый и биоразлагаемый полимер, широко применяемый в тканевой инженерии и системах доставки лекарств. Идею использовать его в качестве пробной матрицы предложил руководитель Научно-исследовательской лаборатории «Клеточные, вспомогательные репродуктивные и ДНК технологии» НИУ «БелГУ», кандидат биологических наук Сергей Надеждин. Сейчас совместная работа двух лабораторий вышла на новый этап: учёные изучают поведение частиц ниобата лития в различных материалах и их взаимодействие с биологическими объектами.
Сергей Викторович пояснил, что в настоящее время изучаются реакции мезенхимных стволовых клеток. Эти реакции носят преимущественно регуляторный и стимулирующий характер: активируются механизмы пролиферации и дифференцировки, меняется концентрация внутриклеточного кальция и активность митохондрий. Все эти процессы свидетельствуют о том, что частицы ниобата лития могут запускать процессы регенерации как на клеточном, так и на тканевом уровнях.
– Исследование биосовместимости и регенеративного потенциала частиц выполняется на инициативной основе, без финансирования. При условии финансирования возможно создание реального медицинского изделия и его выход на доклинические испытания в течение трёх лет, – отметил Сергей Надеждин.
Дальнейшие планы исследователи связывают с практическим применением результатов – в регенеративной медицине, тканевой инженерии и сенсорике. Электронно-микроскопические исследования проведены с использованием оборудования Объединённого центра коллективного пользования «Технологии и материалы» НИУ «БелГУ». Подробности исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Journal of Colloid and Interface Science.
– В нашей работе мы наглядно показали способ, как можно придавать материалу, который в обычных условиях совершенно не электризуется, это самое свойство электризуемости без каких-либо дорогостоящих ухищрений. Впереди, конечно, довольно долгий путь изучения различных свойств получаемых материалов, оценка того, насколько новые свойства помогают эффективнее применять полимер в том числе, и в биомедицинском направлении. Сам способ получения материалов пока ещё далек до того, чтобы его можно было просто масштабировать до промышленных масштабов, здесь тоже нужна большая работа. Кроме того, есть другие актуальные материалы, где внесение свойства поляризуемости может очень сильно помочь в биомедицинской сфере. И прямо сейчас мы работаем над модификацией определённых пластмасс при помощи частиц ниобата лития, – поделился Андрей Олейник.
Ректор НИУ «БелГУ» Евгения Карловская поздравила учёных в своём канале в мессенджере MAX.
– Эта работа – пример того, как фундаментальная физика находит применение в медицине, как физики и биологи объединяют усилия вокруг общей задачи и получают результат, который поодиночке не получил бы никто. И как университетская инфраструктура позволяет проводить такие исследования. Это и есть среда возможностей НИУ «БелГУ» в её практическом измерении: когда учёные работают на стыке наук, а результат открывает реальную перспективу помочь людям, – написала Евгения Анатольевна.
Напомним, ранее НИУ «БелГУ» стал ассоциированным членом проекта Байкальского нейтринного телескопа Baikal-GVD, и под руководством Андрея Олейника представители и выпускники университета включились в моделирование работы детектора и онлайн-визуализацию данных, а Сергей Надеждин в выпуске программы «Вопрос науки» рассказал о достижениях в области искусственного мяса и способности перспективной технологии радикально изменить подходы к производству пищи.
| << Назад к списку |
