Из чего состоит

Новый многофункциональный гибридный материал состоит из двух компонентов: каркаса (натурального паутинного шелка) и наполнителя (углеродных точек). Об особых механических и биологических свойствах паутины человечество знает с древних времен: еще полинезийцы и древние греки использовали ее для заживления ран. Сегодня паутинный шелк тоже используют, например в хирургии глаза. Углеродные же точки — относительно новый класс наноматериалов, обладающий высокими флуоресцентными способностями (они светятся при поглощении света с определенной длиной волны), также их легко синтезировать. Помимо этого, пригодным для медицины гибридный материал делают его биосовместимость и биоразлагаемость: швы не вредят человеку, находясь в организме, и постепенно нетоксично разрушаются. 

В своей работе ученые использовали шелк Linothele fallax — одного из видов пауков, плетущих паутину не радиально, а полотном. Так ее легче собирать и можно получать в больших объемах.

Как синтезируется

Синтез материала одностадийный и заключается в наращивании углеродных точек на поверхности паутины. Для этого натуральный паутинный шелк смешивали с веществом, нужным образом модифицирующим поверхность растущих углеродных точек. Реакционную смесь помещали в автоклав и оставляли при температуре 140 °С на 6 часов, после чего материал промывали.

«Мы провели много синтезов, варьируя величины температуры и время реакции. И те условия, которые мы использовали в итоге, — самые оптимальные для получения требуемых механики и флуоресцентных способностей. К тому же, во время синтеза углеродные точки образуются не только на поверхности паутины, но и в объеме реакционной смеси. В дальнейшем ее можно использовать для других работ», — рассказывает первый автор статьи, магистрантка ИТМО Елизавета Мальцева.

Как визуализирует

Ткани человека способны автоматически флуоресцировать — в основном в области длин волн, которую мы воспринимаем как синий цвет. Поэтому перед учеными стояла задача создать такие углеродные наноточки, которые бы «светились», наоборот, в красноволновой (около 600 нм) области спектра — тогда их излучение и излучение тела не наслаивались бы и оптический отклик от наноточек можно было увидеть прямо под кожей.

Некоторые флуоресцирующие вещества могут перестать «светиться», если провзаимодействуют с определенными органическими или неорганическими соединениями. Такой эффект связан с изменением структуры «светящегося» вещества и часто используется в сенсорике: например, для создания упаковки-индикатора условий хранений. Углеродные точки имеют на поверхности различные функциональные группы, которые могли бы взаимодействовать с клеточной стенкой бактерии, из-за чего гибридный материал перестал бы излучать.

«Мы модифицировали натуральный шелк паука флуоресцентными углеродными точками. Главное их свойство — способность к свечению при поглощении энергии (света). Также эти наночастицы могут служить сенсором для обнаружения патогенов, поскольку при взаимодействии с ними свечение снижается, и оптический отклик не наблюдается. Обычно, когда мы облучаем наш материал синим светом, он становится красным. Но после взаимодействия с патогенами материал перестает светиться. Таким же образом врачи могут проверять, как проходит заживление ран после операции: если при световом тесте материал сохраняет флуоресцентные способности, все в порядке, если нет —  скорее всего, в тканях воспалительный процесс. Наш материал можно будет использовать в качестве подкожных нитей для наложения швов», — объясняет Елизавета.

Авторы статьи проверили свою гипотезу в отношении одних из самых распространенных возбудителей послеоперационных инфекций: грамположительных (золотистый стафилококк, Staphylococcus aureus) и грамотрицательных (кишечная палочка, Escherichia coli) бактерий, а также грибов (Candida albicans). Наивысший отклик был замечен при взаимодействии с Escherichia coli: через 4–5 часов нахождения бактерий в материале интенсивность флуоресценции упала более чем на 80 %.

Что дальше

Ученые уже подробно охарактеризовали структуру и механические свойства полученного материала, а также провели тесты на его биосовместимость и цитотоксичность. В дальнейшем исследователи планируют детальнее изучить процесс биоразлагаемости нового гибридного материала, чтобы выяснить, как долго он будет сохранять рабочие свойства, находясь в организме пациента. Также авторам предстоит провести тесты in vivo, чтобы понять, как материал взаимодействует с человеком.

Статья: Elizaveta S. Maltseva, Valeria O. Nikolaeva, Artemii M. Savin, Mikhail Y. Dobryakov, et al. Fluorescent Hybrid Materials Based on Natural Spider Silk and Carbon Dots for Bioapplication (ACS Biomaterials Science & Engineering, 2022).