Календарь дайджеста
30 сентября 2026
В МФТИ нашли способ настраивать жёсткость геля, не трогая его каркас – это важно для медицины
Ученые МФТИ совместно с коллегами из университетов Канады создали композитный гидрогель из стержнеобразных наночастиц целлюлозы и синтетического сополимера. Меняя всего один параметр – долю сшивающих групп в полимере, исследователи управляли жесткостью и нелинейным механическим откликом геля в широких пределах, тогда как строение его сетки оставалось прежним. Работа опубликована в журнале Materials Horizons.
Рисунок 1. Устройство композитного геля. Слева вверху – схема сборки сетки из альдегид-модифицированных нанокристаллов целлюлозы и сополимера акриламида с гидразидом акриловой кислоты. Слева внизу – строение геля на разных масштабах: сетка фибрилл, пучок нанокристаллов и гидразонные сшивки внутри волокна. Справа вверху – концентрация гидразонных сшивок и непрореагировавших альдегидных групп в четырех гелях. Справа внизу – время гелеобразования в зависимости от концентрации гидразонных групп. Источник: Materials Horizons.
Наши ткани – мышцы, кожа, связки – держатся на природном «скелете» из белковых нитей: коллагена и эластина. Этот каркас, представляющий собой полимерную сетку, не просто поддерживает клетки, но и служит для них источником сигналов. В зависимости от того, насколько он упругий и как деформируется, клетка решает, продолжать ли движение, делиться или превращаться в другой тип.
У биологических каркасов есть два удивительных свойства: чем сильнее их растягивают или сдвигают, тем жестче они становятся. Это называют деформационным упрочнением с нелинейным откликом. При небольшом сжатии такие каркасы, наоборот, размягчаются. Искусственные гели обычно ведут себя иначе: недостаточно сопротивляются сдвигу и упрочняются при сжатии. Такое поведение связывают с фибриллярной структурой геля, строительным элементом которой является фибрилла.
Когда механика тканей нарушается при травмах, фиброзе, раке или старении, это отражается на поведении клеток. Чтобы понять, как именно клетки реагируют на изменение нелинейной механики, ученым нужна искусственная модель с такими же свойствами. Раньше при любой настройке синтетического геля – изменении температуры, концентрации соли или длины молекул – вместе с жесткостью менялась и сама сетка, в частности размер пор. Поэтому было невозможно точно определить, на что реагирует клетка: на жесткость фибрилл или на новое строение сетки геля.
Рисунок 2. Структура геля не зависит от степени сшивки. Вверху – снимки сканирующей электронной микроскопии для гелей с самой низкой и самой высокой концентрацией гидразонных сшивок. Внизу слева – средний диаметр волокон по 200 измерениям. Внизу справа – средний размер пор, определенный по проницаемости Дарси и анализу снимков. Источник: Materials Horizons.
Исследователи из МФТИ и Канады подошли к задаче с другой стороны. Они собрали гель из крошечных наностержней целлюлозы длиной около 145 нанометров, скрепленных синтетическим сополимером. Компоненты соединяли с помощью химических «замочков» – сшивающих групп. При этом меняли лишь число таких связей, оставляя геометрию сетки неизменной.
В результате структура геля – диаметр волокон и размер пор – осталась одинаковой во всех образцах, а его жесткость изменилась в десятки и сотни раз: от почти водянистого состояния до очень плотного. Диаметр и размеры волокон оставались одинаковыми, но сами волокна значительно различались по жесткости.
Поведение материала при растяжении и сжатии стало почти таким же, как у биологических тканей: при растяжении гель резко твердел, а при небольшом сжатии размягчался. Этим можно было управлять, регулируя число химических связей. Однако чрезмерное количество связей оказалось нежелательным: самый плотный образец ломался раньше, чем успевал продемонстрировать нелинейные эффекты, и начинал вести себя как обычный синтетический гель.
Рисунок 3. Размягчение гелей при сжатии. Вверху слева – схема опыта: зазор между пластинами реометра меняли в пределах от -10% до +10%. Вверху справа – относительный модуль сдвига Gel-H5 в сравнении с фибриновым и полиакриламидным гелями. Внизу – модуль сдвига и его относительное изменение для четырех композитных гелей; линиями показан теоретический расчет. Источник: Materials Horizons.
Теперь у биологов появился инструмент, позволяющий использовать несколько гелей с одинаковой структурой, но разной жесткостью, и выращивать на них клетки. Сравнивая поведение клеток, исследователи смогут точнее определять, реагируют ли они именно на упругость или на другие свойства материала. Подход открывает возможности для создания моделей фиброза и опухолевой среды, а также для разработок в тканевой инженерии и регенеративной медицине.
София Морозова, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ и кафедрой электрохимической энергетики в Институте электродвижения МФТИ, прокомментировала: «Обычно, делая гель жестче, мы неизбежно меняем и его сетку – другой размер пор, другая толщина волокон, и потом не понять, что именно повлияло на изменение механики и поведение клеток. Нам хотелось развести эти вещи. Оказалось, достаточно менять долю гидразидных групп в сополимере: строение геля остается тем же, а жесткость и нелинейный механический отклик перестраиваются в широких пределах вплоть до исчезновения».
Кроме сотрудников МФТИ, в работе принимали участие исследователи из Университета Торонто и Университета Далхаузи (Канада).
Источник: журнал «За науку».
