Исследования лазерной кристаллизации, химического и механического упрочнения коллагена и хитозана, улучшение залечивания повреждённых биотканей

Цель

Разработать новые методики лечения повреждённых тканей, исследовав структуры белков и других биополимеров организма человека посредством воздействия на них лазерного излучения.

Описание

Коллаген и хитин с его производным хитозаном – одни из наиболее важных для живых организмов биополимеров. Коллаген составляет основу костных и мягких тканей млекопитающих, а из хитина и хитозана построены силовые элементы членистоногих, клетки грибов.

Лазерное облучение водных гелей коллагена и коллагена с хитозаном приводит к упорядочению и отверждению гелей до состояния твёрдых тел с ориентированным расположением биополимеров. Этот эффект возможно использовать для ускоренного залечивания биотканей.

Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

1. Изучить свойства коллагена, хитина и хитозана под воздействием лазерного облучения.

2. Разработать приёмы, ускоряющие упорядоченную  кристаллизацию коллагена, хитина и хитозана.

Исходными материалами проведённых экспериментов явились пищевой желатин (денатурированный коллаген, где длинные цепочки преобразованы в более короткие полипептидные олигомеры), хитозан (полисахарид, полученный из хитина), грибки плесени (наросшей на геле из желатина с водой). Из желатина, хитозана и их смесей приготавливались композиции механическим размешиванием в воде. Полученные жидкости наносились на предметное стекло оптического микроскопа. Лазерное воздействие проводилось облучением геля непосредственно на столике микроскопа полупроводниковыми лазерами (синим и красным). C помощью микроскопа и видеокамеры регистрировались изображения образцов в проходящем и отражённом свете (как поляризованном, так и неполяризованном) и их изменения в процессе лазерного воздействия.

Оснащение и оборудование, использованное в работе:

• микроскоп
• видеокамера цифровая для микроскопа;
• лазер

Результаты

1. Ускоренная кристаллизация коллагена, проявляющаяся как ориентационное упорядочение молекул, происходит под действием лазерного облучения.

2. Гель коллагена, в котором лазером был создан зародыш кристаллизации, в течение семи дней в темноте кристаллизуется полностью, а гель без зародыша кристаллизации при аналогичной выдержке в темноте остаётся по-прежнему в виде геля.

3. При освещении геля коллагена рассеянным белым светом происходит кристаллизация, однако при этом образуется избыточное количество пор.

4. При освещении происходит деформация геля коллагена.

5. На закристаллизованном коллагене плесень не образуется, в отличие от незакристаллизованного коллагена.

6. Под действием лазерного облучения происходит деформация нитей плесени.

7. Предложена ускоренная методика восстановления разрушенных костных и хрящевых тканей инъекцией коллагено-хитозановых суспензий с лазерным облучением через сапфировые иглы.

8. Предложена методика ускоренной кристаллизации белковых молекул при лазерном облучении для формирования белковых кристаллов.

Перспективы использования результатов работы

Планируется продолжить исследование в данном направлении и детально изучить зависимость процесса кристаллизационного упорядочения коллагена и его смесей от параметров лазерного облучения и состава исходных веществ; исследовать зависимость от этих условий степени упорядочения, химической и механической прочности получаемых материалов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ФГБУН Институт физики твёрдого тела РАН