Физики и материаловеды Томского политехнического университета в составе международной научной коллаборации разработали бессвинцовые наноустройства для ускоренной регенерации тканей. Синтезированные наночастицы эффективно преобразуют внешнее магнитное поле в электрические сигналы, стимулируя рост клеток. Результаты исследования показали, что наночастицы ТПУ биосовместимы и способны влиять на формирование стволовых клеток и образование костной ткани без токсического эффекта.
Исследование поддержано грантом Минобрнауки России (№ 075-15-2025-672). Результаты работы ученых опубликованы в журнале ACS Nano (Q1, IF: 15,881).
Костная ткань обладает биоэлектрическими свойствами, которые играют центральную роль в заживлении переломов. Поэтому магнитоэлектрическая стимуляция наночастицами считается одним из самых перспективных неинвазивных способов регенерации костной ткани. Однако ее клиническое применение ограничено из-за присутствия в составе наночастиц свинца, который увеличивает токсичное воздействие на организм.
Ученые Томского политеха совместно с коллегами из Португалии разработали бессвинцовые наноразмерные магнитоэлектрические частицы типа «ядро-оболочка». Ядро частиц состоит из марганцевого феррита, а оболочка – из ультратонкой пленки титаната бария, без содержания свинца. Синтезированные наночастицы ученые поместили внутрь 3D-сфероидов, состоящих из жировых стволовых клеток человека и гидрогеля, которые имитируют природную микросреду.
«Мы впервые синтезировали магнитоэлектрические наноструктуры без использования свинца с очень тонкой оболочкой, которые обеспечивают высокий магнитных отклик при низкой интенсивности магнитного поля. В нашем случае разработанные частицы внутри клеток превращают внешнее магнитное поле в электрические сигналы, стимулируя стволовые клетки дифференцироваться. Их можно "активировать" с помощью внешнего магнитного поля без проводов и внешних аппаратов, минимизируя риск побочных эффектов», — отмечает участник исследования, ведущий научный сотрудник международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Чернозем.
Политехники провели серию тестов синтезированных наночастиц при их взаимодействии со статистическим магнитным полем (SMF) и циклическим магнитным полем (CMF). Параллельно ученые отслеживали маркеры остеогенеза и минерализации, а также сигнальных путей. Результаты показали, что материалы демонстрируют хорошую биосовместимость и способность к дифференциации без значимого токсического эффекта.
При этом, по словам ученых, при воздействии CMF усиливается экспрессия (процесс использования клеткой генетической информации – прим.) ранних и поздних остеогенных маркеров (коллаген I, остеокальцин, остеопонтин) и ускоряется минерализация. Кроме того, CMF активирует сигнальные пути, связанные с интегрин-механосигнализацией, усиливая регенерацию костной ткани.
«Исследования по разработке наночастиц выполнены на базе Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ, созданного в рамках программы мегагранта в 2021 году под руководством профессора Андрея Леонидовича Холкина. Клеточная архитектура 3D-сфероидов позволяет точнее моделировать реальные условия и микросреды живых тканей. Сочетание такой иерархической структуры и беспроводной электростимуляции является эффективной платформой для оценки направленной дифференцировки стволовых клеток, что является одной из важнейших задач современной регенеративной медицины. Более того, вопрос восстановления послеоперационных тканей стоит крайне остро для лечения онкобольных. В перспективе мы планируем провести in vivo исследования синтезированных наночастиц для оценки их безопасности и эффективности для активации направленной регенерации разных видов тканей, например, нервной», — добавляет директор научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.
В исследовании приняли участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха и Университета Авейру (Португалия).
Источник: ТПУ
