Исследователи ИТМО создали новый гибридный материал для более эффективной борьбы с заражениями после операций
Несмотря на развитие медицины, осложнения после операции, вызванные бактериальными инфекциями, наблюдают, по разным оценкам, у 10–20 % пациентов. Основной фактор их развития — заражение раны при хирургическом вмешательстве: например, из-за проблем со стерильностью или наличия в больнице особо устойчивых микроорганизмов. Отследить инфекционный очаг очень сложно, ведь он скрыт под кожей. Однако ученые международного научного центра SCAMT разработали гибридный материал — медицинские подкожные швы, позволяющие отследить заражения в режиме реального времени.
Новый многофункциональный гибридный материал состоит из двух компонентов: каркаса (натурального паутинного шелка) и наполнителя (углеродных точек). Об особых механических и биологических свойствах паутины человечество знает с древних времен: еще полинезийцы и древние греки использовали ее для заживления ран. Сегодня паутинный шелк тоже используют, например в хирургии глаза. Углеродные же точки — относительно новый класс наноматериалов, обладающий высокими флуоресцентными способностями (они светятся при поглощении света с определенной длиной волны), также их легко синтезировать. Помимо этого, пригодным для медицины гибридный материал делают его биосовместимость и биоразлагаемость: швы не вредят человеку, находясь в организме, и постепенно нетоксично разрушаются. В своей работе ученые использовали шелк Linothele fallax — одного из видов пауков, плетущих паутину не радиально, а полотном. Так ее легче собирать и можно получать в больших объемах.
Синтез материала одностадийный и заключается в наращивании углеродных точек на поверхности паутины. Для этого натуральный паутинный шелк смешивали с веществом, нужным образом, модифицирующим поверхность растущих углеродных точек. Реакционную смесь помещали в автоклав и оставляли при температуре 140 °С на 6 часов, после чего материал промывали.
«Мы провели много синтезов, варьируя величины температуры и время реакции. И те условия, которые мы использовали в итоге, — самые оптимальные для получения требуемых механики и флуоресцентных способностей. К тому же, во время синтеза углеродные точки образуются не только на поверхности паутины, но и в объеме реакционной смеси. В дальнейшем ее можно использовать для других работ», — рассказывает первый автор статьи, магистрантка ИТМО Елизавета Мальцева.
Ткани человека способны автоматически флуоресцировать — в основном в области длин волн, которую мы воспринимаем как синий цвет. Поэтому перед учеными стояла задача создать такие углеродные наноточки, которые бы «светились», наоборот, в красноволновой (около 600 нм) области спектра — тогда их излучение и излучение тела не наслаивались бы и оптический отклик от наноточек можно было увидеть прямо под кожей.
Некоторые флуоресцирующие вещества могут перестать «светиться», если провзаимодействуют с определенными органическими или неорганическими соединениями. Такой эффект связан с изменением структуры «светящегося» вещества и часто используется в сенсорике: например, для создания упаковки-индикатора условий хранений. Углеродные точки имеют на поверхности различные функциональные группы, которые могли бы взаимодействовать с клеточной стенкой бактерии, из-за чего гибридный материал перестал бы излучать
Ученые уже подробно охарактеризовали структуру и механические свойства полученного материала, а также провели тесты на его биосовместимость и цитотоксичность. В дальнейшем исследователи планируют детальнее изучить процесс биоразлагаемости нового гибридного материала, чтобы выяснить, как долго он будет сохранять рабочие свойства, находясь в организме пациента. Также авторам предстоит провести тесты in vivo, чтобы понять, как материал взаимодействует с человеком.
Статья: Elizaveta S. Maltseva, Valeria O. Nikolaeva, Artemii M. Savin, Mikhail Y. Dobryakov, et al. Fluorescent Hybrid Materials Based on Natural Spider Silk and Carbon Dots for Bioapplication (ACS Biomaterials Science & Engineering, 2022).
Фото: источник Дмитрий Григорьев, ITMO.NEWS