Как любопытный полимер может предотвратить свертывание крови в медицинских имплантатах
Цвиттерионы звучат как дальние родственники Twitter (X), но на самом деле это обычная макромолекула, обнаруженная в клетках человека. Ученые из Сиднейского университета теперь также используют цвиттерионы для создания материалов, которые могут предотвратить образование тромбов в медицинских устройствах и имплантатах.
При 500 000–600 000 австралийцев, живущих с заболеванием сердечного клапана ( в 2021 году ), медицинские устройства , такие как сердечные клапаны и стенты, играют решающую роль в спасении жизней. Но белки в крови могут прилипать к стенкам медицинских имплантатов, накапливаясь со временем и образуя тромб. Часто для этого требуется инвазивная операция по удалению или замене имплантата .
«Медицинские имплантаты постоянно подвергаются давлению, чтобы нормально функционировать в организме человека. Сердечный клапан постоянно находится под высоким давлением, перекачивая кровь, открываясь и закрываясь полмиллиарда раз за 10 лет», — говорит доктор Сина Нафиси, возглавляющий исследовательскую группу, разрабатывающую сердечные клапаны, более устойчивые к образованию тромбов.
«Средний срок службы существующих имплантатов сердечных клапанов в настоящее время составляет менее 10 лет, и всегда существует риск их деградации или возникновения осложнений. Используя материалы с покрытием Zwitterion, мы стремимся снизить риск образования тромбов и увеличить срок службы сердечных клапанов и других медицинских имплантатов», — говорит доктор Нафиси из Школы химической и биомедицинской инженерии, факультета инженерии университета.
Мир полон положительно и отрицательно заряженных молекул. Их взаимодействие друг с другом движет химией жизни.
Цвиттерионы — замечательные молекулы, поскольку они одновременно и положительные, и отрицательные, что делает их нейтральными. Слово «Цвиттер» отражает это поведение — оно означает «гибрид» на немецком языке. Они также очень эффективны в образовании связей с молекулами воды.
Цвиттерионы уже находятся в наших клетках как часть клеточной мембраны. Они создают тонкий слой воды и обеспечивают прохождение крови и других белков через сердце и другие органы без прилипания к другим поверхностям.
Играть
00:00
00:22
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Исследователи Сиднейского университета разработали цвиттерионное покрытие, которое связывается с водой, создавая водянистый слой. Это показано здесь, где сердце, нарисованное с помощью покрытия, проявляется после погружения в цветной пищевой краситель. Кредит: Сиднейский университет
Задача Златовласки: какое количество цвиттерионов «в самый раз»?
Доктор Нафиси и его команда сосредоточились на химически нейтральной, но водолюбивой способности цвиттериона.
Как и предыдущие научные открытия, вдохновленные природой, команда доктора Нафиси была вдохновлена клеточной мембраной и в настоящее время работает над ее имитацией. Цель исследователей — разработать материалы, которые могли бы продлить срок службы медицинских имплантатов.
В настоящее время команда создала цвиттерионное покрытие, где на участках материала, «окрашенных» покрытием толщиной всего в несколько нанометров, оно успешно создало слой и пузырь воды, как водяную броню. На материале без покрытия оно отталкивало и распространяло воду за пределы материала.
«В настоящее время мы изучаем новые формулы, способные химически прикрепляться к поверхности любого типа имплантата (изготовленного из тканей, металлов или пластика/резины) с целью снижения их взаимодействия с кровью», — сказал доктор Сепер Талебиан из Школы химической и биомедицинской инженерии.
Одно из самых больших препятствий, которое хотят преодолеть ученые, — это вопрос о том, сколько цвиттерионов «именно так» — это сложная биомедицинская проблема.
Исследователи Сиднейского университета разработали цвиттерионное покрытие, которое связывается с водой, создавая водянистый слой. Это показано здесь, где сердце, нарисованное с помощью покрытия, проявляется после погружения в цветной пищевой краситель. Кредит: Сиднейский университет
Недавно группа опубликовала в журнале Cell Biomaterials обзор о потенциале цвиттерионов в биомедицине, в котором представлен подробный план разработки технологий покрытия поверхностей.
«Потенциал огромный, но как лучше всего использовать цвиттерионы? Какова идеальная толщина покрытия? Какую концентрацию нам следует использовать? Мы не можем просто окунуть искусственный сердечный клапан в цвиттерионный материал, не изучив наилучшие условия. Слишком много — и это может ухудшить свертываемость, слишком мало — и риск образования тромбов сохраняется», — сказал доктор Талебиан.
«Нам также необходимо исследовать наилучший способ «закрепить» цвиттерионы на поверхности материала и наилучшую среду для цвиттерионов. Это включает в себя поиск наилучшей концентрации «соли» в растворе с цвиттерионами. Слишком большое количество соли заставляет цвиттерионные щетки слипаться. Мы хотим, чтобы они равномерно распределялись по поверхности.
«Любопытный случай с цвиттерионами означает, что такие исследователи, как мы, усердно работают над поиском оптимальных условий для того, чтобы эта макромолекула могла полностью реализовать свой потенциал».