Проекты

Исследования лазерной кристаллизации, химического и механического упрочнения коллагена и хитозана

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Биофизика» среди индивидуальных работ учащихся  10 − 11 классов

Направление работы: Медицина
Авторы работы: МБОУ «СОШ № 2 имени Короленко В.Г.» г. Ногинск
Предметы: Биология, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Старт в медицину», 12–14 апреля 2018 года

Коллаген и хитин − одни из наиболее важных для живых систем биополимеров. Коллаген составляет основу костных и мягких тканей млекопитающих (в том числе и человека), а из хитина построены силовые элементы насекомых, крабов, грибов. Поэтому исследования свойств этих молекул и способов их регулирования важны для углубления понимания причин различных нарушений в жизнедеятельности организмов и разработке новых методик их лечения.

Цель

Изучить взаимодействие коллагена и хитозана.

Содержание работы

Исходными материалами проведённых экспериментов являлись пищевой желатин (денатурированный коллаген, где длинные цепочки коллагена преобразованы в более короткие полипептидные олигомеры), хитозан (полисахарид, полученный из хитина деацетилированием), грибки плесени (наросшей на геле из желатина с водой), вода. Из желатина, хитозана и их смесей приготавливались композиции механическим размешиванием в воде. Полученные жидкости или желе наносились на предметное стекло оптического микроскопа. Лазерное воздействие проводилось облучением геля непосредственно на столике микроскопа полупроводниковыми лазерами (синим и красным) с интенсивностью порядка 1 вт/см2.

Исходные водные композиции желатина и хитозана в поляризованном свете выглядели по-разному.

Существенные изменения произошли после вылёживания желатиновых желе в течение семи суток в темноте на открытом воздухе. Весь массив образца, подвергавшегося лазерной обработке, за неделю стал оптически анизотропным; в поляризационном микроскопе при наблюдении через скрещенные поляризаторы проявлялись просветлённые области разных цветов.

Некристаллизованные звенья коллагена являются питательной средой для размножения грибков плесени, тогда как закристаллизованные образцы, которые находились рядом, активно сопротивляются разрушению плесенью.

Механическое перемешивание равных количеств желатина и хитозана с водой привело к образованию упругой резиноподобной губки желтоватого цвета. Облучение этой губки синим лазером вызвало интенсивное её разложение, которое проявлялось в активном образовании дыма и формировании чёрных пятен в зоне облучения.

Выводы

Эксперименты показали, что облучение водного желе желатина вызывает активную кристаллизацию, которая выражается в ориентационном упорядочении молекул желатина и появлении заметной оптической анизотропии. Кроме того, образованный лазером зародыш кристаллической фазы в течение нескольких суток разрастается по площади и усиливается по степени упорядочения. Смешивание коллагена с хитозаном приводит к механическому упрочнению коллагена, выражающемуся в образовании упругой губки.

Кроме того, кристаллизация коллагена его упрочняет химически, доказательством чего является его сопротивление разрушению плесенью. Желтоватый цвет этой губки указывает на то, что в синей области спектра у неё появляется заметное поглощение света.

Химическое и механическое упрочнение коллагена с помощью лазерного облучения и смешивания с хитозаном создаёт хорошие перспективы для разработки медицинских методик ускоренного восстановления разрушенных костных и мягких тканей. Например, при закрытых переломах можно вводить в зону разрушения кости водную суспензию из коллагена или смеси коллагена и хитозана.

Для ускорения кристаллизации этой смеси, необходимой для сращивания разрушенной кости, в эту зону можно ввести по сапфировой игле лазерное излучение