Ученые из МФТИ с коллегами из университетов Канады собрали композитный гидрогель из стержнеобразных наночастиц целлюлозы и синтетического сополимера. Меняя всего один параметр — долю сшивающих групп в полимере, они управляли жесткостью и нелинейным механическим откликом геля в широких пределах, тогда как строение сетки гидрогеля оставалось прежним. Работа опубликована в журнале Materials Horizons.
Наши ткани мышцы, кожа, связки держатся на природном «скелете» из белковых нитей (коллагена, эластина). Этот каркас, представляющий собой полимерную сетку, не просто поддерживает клетки, но и служит для них источником сигналов: в зависимости от того, насколько он упругий и как деформируется, клетка решает: ползти ей дальше, делиться или превращаться в другой тип.
У биологических каркасов есть два удивительных свойства: чем сильнее их тянешь или сдвигаешь, тем они становятся жестче (это называют деформационным упрочнением с нелинейным откликом). А если слегка сжать, наоборот, размягчаются. Искусственные гели обычно так не умеют: недостаточно сопротивляются сдвигу и упрочняются при сжатии. Такое поведение связывают с фибриллярной (волокнистой) структурой геля, где строительным элементом является фибрилла.
Когда механика нарушается (при травмах, фиброзе, раке или старении), это отражается на поведении клетки. Чтобы понять, как именно они реагируют на изменения нелинейной механики, ученым нужна искусственная модель с точно такими же свойствами. Но раньше была проблема: как ни настраивай синтетический гель меняй температуру, концентрацию соли или длину молекул, вместе с жесткостью всегда менялась и сама сетка, а именно: размер пор. И нельзя было понять, на что реагирует клетка: на жесткость фибрилл или на новое строение сетки геля.
Исследователи с Физтеха и из Канады зашли с другой стороны. Они собрали гель из крошечных наностержней целлюлозы (длиной около 145 нанометров), скрепленных синтетическим сополимером. Сцепляли их с помощью химических «замочков» сшивающих групп. И при этом меняли лишь одно число таких замочков, оставляя геометрию сетки неизменной.
В итоге получилось, что структура геля (диаметр волокон, размер пор) осталась одинаковой во всех образцах. Зато его жесткость изменилась в десятки и сотни раз от почти водянистого состояния до очень плотного. Мягкая сетка будто сделана из желе, а жесткая сетка будто из стальных канатов: диаметр волокон и их размеры одинаковы, но сами волокна сильно отличаются друг от друга по жесткости.
При этом поведение при растяжении и сжатии стало почти как у биологических тканей: при растяжении гель резко твердел, при легком сжатии размягчался. И все это управлялось простой регулировкой числа химических связей. Правда, оказалось, что перебарщивать с «замочками» не стоит: самый плотный образец ломался раньше, чем успевал показать нелинейные эффекты и начинал соответствовать поведению обычных синтетических гелей.
Теперь у биологов есть удобный инструмент: можно взять несколько гелей с одинаковой структурой, но разной жесткостью и выращивать на них клетки. Сравнивая поведение клеток, можно точно определить, реагируют они именно на упругость или на что-то другое. Это открывает прямой путь к созданию моделей для изучения фиброза, опухолевой среды, а также к разработкам в тканевой инженерии и регенеративной медицине.
София Морозова, заведующая лабораторией технологий ионообменных мембран МФТИ и кафедрой электрохимической энергетики в Институте электродвижения МФТИ, прокомментировала: «Обычно, делая гель жестче, мы неизбежно меняем и его сетку — другой размер пор, другая толщина волокон, и потом не понять, что именно повлияло на изменение механики и поведение клеток. Нам хотелось развести эти вещи. Оказалось, достаточно менять долю гидразидных групп в сополимере: строение геля остается тем же, а жесткость и нелинейный механический отклик перестраиваются в широких пределах вплоть до исчезновения».
Научная статья: S. Morozova, Y. Ma, V. Adibnia, E. Kumacheva. Strain stiffening and compression-induced softening of composite fibrous hydrogels derived from rod-shaped nanoparticles and a synthetic copolymer // Materials Horizons, 2026, 13, 6646–6656. DOI: https://doi.org/10.1039/D6MH00306K
Кроме сотрудников МФТИ в работе принимали участие исследователи из Университета Торонто и Университета Далхаузи (Канада).
