Учёные выяснили, что гладкий медицинский биопластик проигрывает рельефному. Для прикрепления и роста клеток на имплантате важна не ровная поверхность, а рельефная с наличием шероховатости и углублений. Результаты исследования опубликованы в журнале Langmuir.

Полигидроксиалканоаты (ПГА) — биоразлагаемые полимеры, которые синтезируют бактерии. Они биосовместимы с живыми клетками и тканями и разлагаются в организме на нетоксичные вещества, поэтому считаются идеальными кандидатами для биомедицинских применений, например, для создания имплантатов, шовных материалов и скаффолдов для тканевой инженерии. Но мало просто получить биосовместимый материал и медицинское изделие. Нужно, чтобы клетки на нём прикреплялись и росли. Это зависит от рельефа поверхности на микро- и наноуровне. Поэтому текстура поверхности изделия имеет важное значение для использования материала в биомедицине.

Учёные Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Красноярского научного центра СО РАН и Сибирского федерального университета с коллегами из Нидерландов и США определили, какие толщина и рельеф полимерных ПГА плёнок лучше подходят для прикрепления и роста клеток. Плёнки были получены из специального биоразлагаемого полимера семейства ПГА. Тип полимера выбрали за удобство в переработке, высокую биосовместимость и экономичность при крупномасштабном биосинтезе. Плёнки получали из четырёх растворов полимера разной концентрации. Чем концентрированнее был раствор, тем толще и грубее получалась плёнка. На эти плёнки учёные «посадили» клетки миобластов линии C2C12. Эти клетки — предшественники мышечной ткани и один из самых удобных и распространенных объектов для тестирования биоматериалов.

Во время работы перед учёными встал вопрос, как оценить пригодность поверхности для клеток. Обычно исследователи делают такую работу вручную: считают клетки, проводят измерения, отдельно описывают рельеф. Это долго, субъективно и плохо переносится на повторные эксперименты. Поэтому авторы разработали воспроизводимый алгоритм, который делает всё то же самое, но автоматически: сегментирует изображения клеток и выдает метрики рельефа и самих клеток. К тому же алгоритм связывает все этапы в одну цепочку, от технологии изготовления плёнки и характеризации её поверхности до получения данных о том, как на ней ведут себя клетки. По словам исследователей, такой подход позволяет не перебирать параметры наугад, а целенаправленно подбирать их. Он применим ко всем типам клеток человеческого организма при разработке новых полимерных имплантатов.

«Для этого исследования наша группа из Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО разработала подход, который позволяет автоматически оценивать, как клетки взаимодействуют с поверхностью полимерных плёнок. Изображения клеток на снимках, полученных на флуоресцентном микроскопе, сегментируются с помощью свёрточной нейронной сети (CNN), после чего проверяется качество сегментации. Из полученных данных затем выделяются основные характеристики клеток — их форма, размер и другие морфометрические признаки, которые мы сопоставляем с характеристиками поверхности, полученными из изображений, сделанных с помощью атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. Так мы выявляем характеристики поверхности, сильнее всего связанные с биосовместимостью образцов», — отметил Павел Зун, доцент НОЦ инфохимии, руководитель научной группы биомедицинских вычислений Университета ИТМО.

Используя алгоритм, учёные фиксировали, как клетки ведут себя на плёнках, как они прикрепляются и разрастаются, насколько эффективно плёнка поддерживает рост ткани. Оказалось, что на более толстых и шероховатых плёнках клетки прикрепляются лучше. Ключевую роль в этом процессе играют различные неровности на поверхности плёнки, за которые клетки могут зацепиться. Тонкие плёнки, полученные из слабых растворов, имеют преимущественно гладкий рельеф, за который клетки цепляются хуже. Более толстые плёнки, наоборот, богаты неровностями и углублениями, что обеспечивает лучшее зацепление, более высокий рост и активность клеток.

Полимер при этом кристаллизуется медленнее. Замедленная кристаллизация полимера по мере испарения растворителя сопровождается образованием более крупных и жёстких кристаллических структур, которые и создают более развитую и шероховатую поверхность плёнок. Клетки «сажают» на плёнки, как растения на грядку. От того, насколько эта «грядка» рыхлая, зависит, как крепко клетка будет на ней «сидеть» и множиться. Полученные в этой комплексной работе результаты имеют важное значение для проектирования поверхностей изделий биомедицинского назначения на основе ПГА и других полимеров. Применять это можно в тканевой инженерии для создания подложек (скаффолдов), на которых клетки должны активно расти и формировать новую ткань, например, для восстановления мышц, костей, хряща, сосудов, и в регенеративной медицине для имплантатов, которые должны быстро обрастать собственными клетками пациента, формировать новые ткани в месте повреждения и при этом не отторгаться», — комментирует результаты исследования Татьяна Волова, доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН и заведующая кафедрой биотехнологии СФУ.