Шероховатая поверхность имплантатов поможет клеткам лучше приживаться

Ученые НИТУ МИСИС изучили влияние поверхности кремниевых пластин на жизнеспособность и клеточную адгезию – способность клеток прикрепляться к материалу.

Как отмечают исследователи, кремний, обладает рядом преимуществ, он
нетоксичный, биоразлагаемый и его легко функционализировать, например загружать
лекарством. В будущем пластины кремния с пористой поверхностью могут найти свою
нишу в биомедицинских технологиях. Результаты работы опубликованы в научном
журнале Silicon.

Особый интерес для ученых и врачей, работающих в области реконструктивной
хирургии, представляет разработка и производство полимерных скаффолдов –
«каркасов», которые служат основой для восстановления костной ткани. Для лучшей
приживаемости такие скаффолды обычно заселяются клетками пациента.

Зачастую в исследованиях не уделяется достаточно внимания особенностям структуры
поверхности материала, на которых закрепляются клетки. Однако, клеточная адгезия
– прикрепление клеток к поверхности материала, является основным фактором для
выживания клеток в скаффолде. Влияние твердости и шероховатости поверхности на
жизнедеятельность клеток крайне важно, поскольку эти параметры сильно влияют на
активность генов и в конечном счёте на поведение клеток – будут ли они погибать
или усиленно расти, мигрировать или оставаться на месте.

«Исследователи давно работают с кремнием – научились хорошо его травить, то есть
образовывать поры микро/нано размеров в растворах сильных кислот при помощи
химического или электрохимического травления. Пластины кремния с пористой
поверхностью могут найти свою нишу в биомедицинских технологиях, хотя на данный
момент она и неочевидна», – отметил автор исследования, инженер НОЦ
«Биомедицинской инженерии» Артём Илясов.

Ученые Университета МИСИС подробно рассмотрели влияние глубины пор кремниевых
пластин на клеточную адгезию. Для этого исследователи изготовили пластины с
различной структурой пористых слоёв: кристаллические нанопористые слои с
размером пор около 20 нм и микропористые со столбчатой структурой пор диаметром
в 100 раз больше – около 2 мкм.

«На кремнии удобно изучать влияние шероховатости и твердости поверхности на
процессы, происходящие в клетках, потому что на нем возможно создавать поры в
широком диапазоне размеров. Более того материал нетоксичный, биоразлагаемый и
его легко функционализировать, например загружать лекарством или прикреплять к
поверхности различные лиганды – функциональные группы или молекулы. В данной
работе мы провели элементный анализ двух вариантов пористых слоев, тесты на
цитотоксичность, а также измерили углы смачиваемости образцов до и после
осаждения клеток», – рассказал Артём Илясов.

Оказалось, что нанопористые слои гораздо более гидрофильны, то есть способны
хорошо впитывать воду, и имеют меньший контактный угол по сравнению с
микропористыми слоями. После 1-го посева клеток значения контактного угла для
нанопор были ближе к оптимальным по сравнению с микропорами. Было косвенно
показано, что разная пористость способствует разной адгезии клеток – клетки
сильнее прилипают к пластинам с нанопорами и слабее к микропорам.

В дальнейшем ученые планируют продолжить исследования с другими типами клеток, а
также изучить влияние шероховатости и твердости пластин на жесткость клеточной
мембраны. Как отмечают исследователи, в будущем пластины кремния с пористой
поверхностью могут найти свою нишу в биомедицинских технологиях, например для
создания биоинтерфейсов, датчиков считывания электрических сигналов с тканей и
интерфейсов для стимуляции клеток.

Исследование выполнено в рамках программы развития «Приоритет 2030».