Используя магнитное поле и гидрогели, группа исследователей из Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании продемонстрировала новый возможный способ восстановления сложных тканей тела, который может привести к более длительному лечению распространенных травм, таких как дегенерация хряща. Это исследование было опубликовано сегодня в Advanced Materials .
«Мы обнаружили, что можем организовать объекты, такие как клетки , таким образом, чтобы они могли генерировать новые сложные ткани без необходимости изменять сами клетки», — сказала первый автор исследования, Ханна Злотник, аспирантка в области биоинженерии, которая работает в Лаборатория ортопедических исследований МакКея в Пенсильвании. «Другим пришлось добавлять магнитные частицы к клеткам, чтобы они реагировали на магнитное поле , но такой подход может иметь нежелательные долгосрочные последствия для здоровья клеток. Вместо этого мы манипулировали магнитным характером окружающей среды, окружающей клетки, что позволило нам расставлять предметы с помощью магнитов ».
У людей такие ткани, как хрящ, часто могут разрушаться, вызывая нестабильность суставов или боль. Часто разрушение происходит не полностью, а покрывает область, образуя дыру. Текущие исправления заключаются в том, чтобы заполнить эти дыры синтетическими или биологическими материалами, которые могут работать, но часто изнашиваются, потому что они не те же самые материалы, что были раньше. Это похоже на устранение выбоины на дороге, засыпав ее гравием и сделав слой смолы: яма будет сглажена, но со временем изнашивается, потому что это не тот же материал, и он не может склеиваться таким же образом.
Что усложняет фиксацию хряща или других подобных тканей, так это их сложный состав.
«Существует естественный градиент от верха хряща к низу, где он контактирует с костью», — пояснил Злотник. «На поверхности или на поверхности хрящ имеет высокую клеточность, что означает большее количество клеток. Но там, где хрящ прикрепляется к кости, глубже внутри, его клеточность низкая».
Поэтому исследователи, в число которых входил старший автор Роберт Маук, доктор философии, директор лаборатории МакКея и профессор ортопедической хирургии и биоинженерии, попытались найти способ исправить выбоины, заделав их, вместо того, чтобы заделывать их. Имея в виду, исследовательская группа обнаружила, что если они добавят магнитную жидкость к трехмерному раствору гидрогеля, клетки и другие немагнитные объекты, включая микрокапсулы для доставки лекарств, могут быть организованы в определенные узоры, которые имитируют естественную ткань за счет использования внешнее магнитное поле.
После кратковременного контакта с магнитным полем раствор гидрогеля (и находящиеся в нем объекты) подвергали воздействию ультрафиолетового света в процессе, называемом «фотосшивание», чтобы зафиксировать все на месте, а затем магнитный раствор рассеивался. После этого сконструированные ткани поддерживали необходимый клеточный градиент.
С помощью этой техники магнитного моделирования команда смогла воссоздать суставной хрящ, ткань, покрывающую концы костей.
«Эти сконструированные ткани с магнитным рисунком лучше напоминают естественную ткань с точки зрения расположения клеток и механических свойств, по сравнению со стандартными однородными синтетическими материалами или биологическими препаратами, которые были произведены», — сказал Маук. «Блокируя клетки и другие средства доставки лекарств на месте с помощью магнитного паттерна, мы можем запускать ткани по соответствующей траектории для создания лучших имплантатов для восстановления хряща».
Хотя этот метод был ограничен исследованиями in vitro, это первый шаг к потенциальным более длительным и более эффективным решениям у живых людей.
«Этот новый подход может быть использован для создания живых тканей для имплантации, чтобы исправить локализованные дефекты хряща , и может однажды быть расширен для создания живых суставных поверхностей», — пояснил Маук.