Спасительные нити паука
Новый материал на основе паутины и наноматериалов создали в Университете ИТМО для заживления и визуализации состояния медицинских швов
«Заживляющий материал на основе паутины создали петербургские ученые» — этим летом подобные заголовки появились в информагентствах и СМИ, среди новостей о достижениях российской науки эта стала одной из самых популярных. В ней, конечно, есть элемент понятного для медиа парадокса — страшные пауки и чудесное исцеление. Но кроме того, как оказалось, это и в самом деле интересная с научной точки зрения работа, к тому же ее ключевой автор — совсем молодая исследовательница, магистрантка химико-биологического кластера Университета ИТМО Елизавета Мальцева.
Новый материал в научной лаборатории SCAMT при Университете ИТМО (ранее — Ленинградский институт точной механики и оптики) создан на основе технического задания на подкожные медицинские швы нового поколения. В задачу входило найти материал, который способствует заживлению ран, приспособлен для визуализации биологических процессов в удобном для работы спектре. При этом, конечно, материал должен был быть нетоксичным, биосовместимым, а также соответствующим стандартам «зеленой» химии. И эта задача была решена — пока в лабораторных тестах, впереди тестирование на живых организмах. Разработка, как считают ее авторы, поможет отслеживать бактериальное заражение и предупредить осложнения после хирургической операции. Кроме того, работа расширяет поле исследования и применения композитов на основе биоматериалов.
О практических перспективах нового материала, об атмосфере в российской науке и условиях для молодых ученых мы поговорили с автором исследования Елизаветой Мальцевой.
Паутина и наноточки
— Почему именно пауки и наноматериалы?
— Вообще, паутина — очень перспективный природный материал — полимер, который сочетает в себе превосходные механические и биологические свойства. По прочности и совместимости с биоматериалами она выигрывает даже у широко используемых коконов шелкопрядов, хотя мы знаем о ней немного. Что касается пауков из нашего исследования, то они принадлежит к норному виду Linothele fallax. Причем те плетут не обычную радиальную домовую паутину, а шелковое полотно, которое удобно собирать в больших количествах. Из его соединения с наночастицами получаются и впоследствии тестируются гибридные материалы с новыми свойствами. В нашем случае для создания подкожных медицинских швов мы совместили паутину и углеродные точки.
— А что это такое?
— Углеродные точки — это сравнительно новый класс наноматериалов в виде маленьких сфер диаметром в несколько нанометров. Они обладают флуоресцентными свойствами: проще говоря, светятся при поглощении энергии, в данном случае света с определенной длиной, и сохраняют эту способность очень долго. Так, у нас они становятся красными под воздействием синего света. Их также очень легко синтезировать при помощи нагревания: одной стадии достаточно, чтобы получить нужный материал. Углеродные точки без проблем совмещаются с биоматериалами, нетоксичны для организма человека и постепенно выводятся из него. Поэтому они широко применяются в разных сферах — в биовизуализации, анализе и изменении скорости химических реакций, энергосбережении, точечной доставке лекарственного вещества в организм и в электронике.
— Как выглядит гибрид углеродных точек и паутины, например при увеличении?
— Под обычным микроскопом и без него наша разработка похожа на обычное паутинное волокно. Углеродные частицы же настолько маленькие, что их не видно даже в электронный микроскоп. Само волокно не потеряло свои характеристики после синтеза: оно получилось не менее прочным и эластичным, чем современные медицинские нити.
— Есть ли какие-то нюансы в испытании такого материала?
— Механические характеристики нитей мы проверяли на лабораторном оборудовании. В будущем же понадобятся более точные характеристики поверхности волокна, исследования при помощи просвечивающего микроскопа и опыты на крысах. Поэтому пока мы только смоделировали первые образцы — для промышленных масштабов нужно подкорректировать несколько моментов, например скручивание элементов друг с другом, а потом смотреть, что делать дальше.
— Что конкретно будут делать нити, если их начнут использовать при зашивании ран после операции?
— Врачи не всегда могут контролировать стерильность и наличие микроорганизмов в больнице, из-за чего у пациентов могут возникать осложнения после операций. Воспаления и загноения нередко приводят к неправильному заживлению ран, рубцам, высокой температуре и возможной смерти. Хотя шелковые подкожные нити не обладают бактерицидными свойствами, они служат каркасом для заживления ткани, а углеродные точки — сенсорами.
Когда в организм попадает бактериальная инфекция, световой тест помогает обнаружить ее на ранних этапах. Наши ткани, кожа, жир и мышцы под синим светом тоже будут светиться синим: они обладают свойством автофлуоресценции. Если же ранка под светом перестанет светиться красным, то есть от нее нет оптического отклика, — надо будет что-то срочно предпринимать. Вот в чем главное преимущество наших нитей.
— А ограничения?
— Есть одно: пауков пока нельзя использовать постоянно. Конечно, мы планируем в будущем соорудить паучью ферму, но это сложно. Пауки по природе каннибалы, и их настроение может меняться каждый день. Этих насекомых нельзя содержать вместе. Поэтому каждый паук пока находится в своем контейнере, что упрощает добычу материала — конечно, если у вас нет арахнофобии. Почти два года назад мне было сложно и немножко страшно собирать паутину пинцетом, но потом привыкла.
— Как вы пришли к теме своего исследования?
— Им я начала заниматься два года назад, когда пришла в магистратуру ИТМО и в научную лабораторию SCAMT. Меня привлекли работа с натуральными полимерами и возможность сделать что-то новое на стыке своей профессии и увлечений — химии и биомедицины. Слова коллег тоже оказали свое влияние: их рассказы о пауках дали мне вдохновение и мотивацию идти в этом направлении.
Вначале я участвовала в создании бинтов и пластырей на основе паутины паука-птицееда, но это не совсем мой профиль. Тогда мы изобретали способ, как растворить паутинный шелк, чтобы получить желе, из которого на 3D-принтере можно напечатать тот же лейкопластырь. За это время я поняла, что нельзя сделать научную работу за месяц или два с нуля. Всегда есть какие-то моменты, которые будут тормозить или мешать, так что главный принцип здесь — постепенность.
— Получила ли ваша работа широкую поддержку от научного сообщества в России и за рубежом?
— После публикации статьи я случайно увидела в соцсетях англоязычного ученого, который выложил ее в одном научном сообществе. Месяц-полтора назад я приехала со стажировки в Португалии, где представила презентацию с полученными результатами и долго обсуждала их с коллегами. Мне кажется, что коммуникация — это очень важный элемент нашей работы и основополагающая часть научной среды. Она вообще расширяет кругозор и помогает узнать много новых и полезных вещей, о которых ты раньше не задумывался.
В Санкт-Петербурге мы проводили воркшопы для студентов со всей России. Еще организовывали отдельное мероприятие для коллег из московского РХТУ имени Менделеева. Им тоже очень понравилось — мы даже вместе синтезировали материал. Если говорить про индустрию, то никаких предложений пока не поступало.
Делать науку в России
— Что вы думаете о перспективах российской науки в целом?
— Думаю, что скоро перед нашими университетами откроется возможность коммуницировать и сотрудничать между собой. У нас все еще нет гибких стажировок между вузами: например, я не могу взять и приехать в другой университет просто потому, что хочу там заниматься. Наука — это такая обособленная сфера не для всех, потому что не все могут твердо идти к своей цели. Причем это очень творческая сфера, которая должна сочетаться с такими качествами, как усидчивость и упорство.
— На ваш взгляд, как можно и как нельзя делать науку в России и что ее тормозит?
— Можно или нельзя — науку в России делать нужно! Важно принимать во внимание общемировые тенденции, чтобы работать в направлении развития, открытий и изобретений. Не тратить время, силы и финансирование на то, что уже изобретено или никому не нужно. Поэтому очень важен английский язык, так как сейчас все сводится к коммуникации.
А еще нельзя делать науку только из-за денег. Получается лженаука, которая может поставить в тупик. Вот находишь литературу и статьи по теме, повторяешь синтез из них, а он не работает, хотя результаты у авторов представлены хорошие. Хотелось бы еще отметить некомпетентность и несовременность руководителей, которые не понимают и не следят за тем, что происходит. На самом деле это отбивает желание заниматься наукой. В этом надо идти в ногу со временем.
— Тогда как бы вы описали жизнь молодого исследователя в России? Откуда они берутся?
— «И швец, и жнец, и на дуде игрец», я бы сказала. Да, это сугубо индивидуально, но это довольно тяжелая функциональная работа. Ты не только сидишь в лаборатории, что-то делаешь, ищешь и изобретаешь, а еще носишься с бумажками и занимаешься бюрократией, организуешь воркшопы, осваиваешь графические редакторы. После двух лет магистратуры могу сказать, что я многому научилась, как и коллеги.
Вообще, молодые ученые — это такие свободные умы, которые концентрируются вместе и страдают, пока что-то не получается. Они берутся в прогрессивных вузах, где проще делать интересующую тебя науку. Не в старых лабораториях с обшарпанными стенами и древним неработающим оборудованием, куда ты не хочешь ходить. В таких стенах сама атмосфера направляет тебя на исследования. Многое также зависит от твоего характера и психологии: либо тебе нравится этим заниматься, либо нет. Некоторые ребята после магистратуры у нас говорят: «Ой нет, лучше пойду работать». Мне же хочется продолжать этим заниматься.
— Возможно ли сейчас стать крутым ученым в нашей стране?
— Среди моих знакомых есть много ребят, которые горят своим делом, хотят что-то изобрести и кайфуют от этого. В школе я готовилась стать врачом, но у меня была прекрасная учительница по химии, которая привила мне любовь к предмету. Наукой я начала заниматься только в магистратуре. Сначала не понимала, что происходит, а потом как поняла!
Поначалу ты долго ищешь литературу, проводишь эксперименты, а когда начинает что-то получаться, ты испытываешь просто неописуемые эмоции. Потом смотришь и думаешь: «Ого, вот это я сделал!» Тут главное — не терять эту мотивацию. Еще важно, чтобы тебя поддерживало окружение и научный руководитель, которые тоже горят этой работой, потому что в одиночку ты просто не вывезешь. Меня в этом вдохновляет творчество и продумывание плана: что ты хочешь сделать, что должно получиться, что нет, и для меня это такой замкнутый цикл. Идея поиска: ничего не получается — руки опускаются — продолжаешь — хоба, получилось! — и все опять заново.
Фотографии Дмитрия Григорьева, ITMO.NEWS
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl