Химики разработали наноматериал, который может изменять форму — от плоских листов к трубкам и снова к листам — контролируемым образом. Журнал Американского химического общества опубликовал описание наноматериала, который был разработан в Университете Эмори и обладает потенциалом для целого ряда биомедицинских применений, от контролируемого высвобождения доставки лекарственных средств для тканевой инженерии.
Этот материал изготовлен из синтетического коллагена. «Никто до этого не работал с коллагеном, как с изменяющим форму наноматериалом», — говорит один из авотров разработки Винсент Контичелло. «Мы имеем возможность преобразовать его из листа в пробирку, а после вернуть все в исходное состояние, просто изменив pH или концентрацию кислоты в окружающей среде».
Управление трансфера технологий Эмори подало заявку на предварительный патент на наноматериал.
Первыми авторами открытия являются Андреа Мерг, бывший научный сотрудник лаборатории Контичелло, которая сейчас работает в Калифорнийском университете в Мерседе, и Гэвин Тупонс, который работал в качестве студента Эмори и сейчас учится в медицинской школе в Стэнфорде. Работа была плодом сотрудничества Эмори и ученых из Аргоннской национальной лаборатории, Института Поля Шеррера в Виллигене, Швейцария, и Центра клеточной визуализации и наноаналитики Базельского университета.
Коллаген — это главный структурный белок соединительной ткани организма, такой как хрящи, кости, сухожилия, связки и кожа. Его также много в кровеносных сосудах, кишечнике, мышцах и других частях тела.
Коллаген, полученный от других млекопитающих, таких как свиньи, иногда используется для заживления ран и других медицинских целей у людей. Лаборатория Контичелло — одна из немногих в мире, занимающихся разработкой синтетического коллагена, подходящего для применения в биомедицине и других сложных технологиях. Такие синтетические «дизайнерские» биоматериалы можно контролировать способами, которые не может контролировать естественный коллаген.
«Еще 30 лет назад стало возможным контролировать последовательность коллагена», — говорит Контичелло. «Тем не менее, эта область действительно набрала обороты за последние 15 лет благодаря достижениям в кристаллографии и электронной микроскопии, которые позволяют нам лучше анализировать структуры в наномасштабе».
По словам Контичелло, разработка нового изменяющего форму наноматериала в Эмори была «случайной случайностью». «В этом был элемент удачи и элемент дизайна».
Белок коллагена имеет несколько спиралевидных волокон, вьющихся друг с другом. Эти волокна довольно жесткие и плотно упаковываются в кристаллический массив.
Лаборатория Контичелло работает с листами коллагена, которые она разработала в течение десяти лет. «Лист — это один большой двумерный кристалл, но из-за того, как пептиды упакованы, он похож на целую связку карандашей, связанных вместе», — объясняет Контичелло. «У половины из них концы карандашей обращены вверх, а у другой половины — конец ластика вверх».
Контичелло хотел попытаться усовершенствовать эти листы таким образом, чтобы каждая сторона была ограничена одной функцией. Если продолжить аналогию с карандашом, то на одной поверхности листа будут все наконечники, а на другой — ластики. Конечная цель заключалась в разработке коллагеновых листов, которые можно было бы интегрировать с медицинским устройством, сделав одну поверхность совместимой с устройством, а другую поверхность — совместимой с функциональными белками в организме.
Однако, когда исследователи сконструировали эти отдельные типы поверхностей в отдельные коллагеновые листы, они были удивлены, узнав, что это заставляло их скручиваться, как свитки. Затем они обнаружили, что изменение формы было обратимым — они могли контролировать, будет ли лист плоским или прокрученным, просто изменив pH раствора, в котором он находился. Они также продемонстрировали, что могут настроить листы для изменения формы при определенном pH. уровни таким образом, чтобы их можно было контролировать на молекулярном уровне с помощью дизайна.
«Особенно интересно то, что состояние, при котором происходит переход, является физиологическим состоянием», — говорит Контичелло. «Это открывает возможность найти способ загрузить терапевтическое средство в коллагеновую трубку в контролируемых лабораторных условиях. Коллагеновая трубка может быть настроена на развертывание и высвобождение содержащихся в ней молекул лекарства после того, как они попадут в среду pH человеческой клетки».
Ученые Эмори, которые внесли свой вклад в измерение и описание нового наноматериала и соавторы статьи, включают профессора химии Брайан Дайер и Халид Салаита; аспиранты-химики Алисина Базрафшан и Хелен Сиав; и Артур МакКанна из центра комплексной электронной микроскопии Роберта П. Апкариана.
