Соединение материалов с резко различающимися механическими характеристиками является одной из основных проблем материаловедения в целом, и биоматериаловедения в частности. Ярким тому примером может служить проблематичность восстановления соединительной ткани между сухожилием («мягкая ткань») и костью («твердая ткань»). В природе состав этой ткани неоднороден по составу и постепенно меняется, чтобы максимально сгладить скачок жесткости на границе раздела сухожилие-кость.
Совместными усилиями группы американских и китайских ученых был предложен метод нанесения фосфата кальция так, чтобы соблюсти градиент концентрации для того, чтобы жесткость вдоль подложки менялась линейно. Для этого десятикратно концентрированный физраствор добавляли при постоянной скорости в сосуд, в котором расположена нетканая подложка, состоящая из нановолокон (биосовместимые и биоразлагаемые полимеры PLGA и PCL), изготовленные методом электроспиннинга (рис. 1). Для повышения гидрофильности и активации поверхности полимеров для нанесения фосфата кальция, их поверхность была обработана плазмой или на поверхность был нанесен желатин. Угол наклона подложки, а также скорость подачи раствора рассчитывались таким образом, чтобы линейно уменьшать время осаждения, при прохождении раствора от нижнего до верхнего края подложки. В исходный раствор был добавлен гидрокарбонат натрия, что привело к значительному повышения скорости нанесения фосфата кальция (за 2-6 часов наносится значительный слой, что заметно превосходит достижения предыдущих исследователей).
На рисунке 2 представлены фотографии образца с PLGA, обработанного плазмой, полученные методом сканирующей электронной микроскопии. На нижнем крае волокна покрыты тонким слоем фосфата кальция. По мере удаления от нижнего края толщина нанесенного слоя становилась все тоньше и на верхнем крае отсутствует вовсе.
Для количественного описания нанесенного фосфата кальция в зависимости от расстояния от нижнего края подложки, методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) была получена зависимость отношения Ca/(Ca+C) от расстояния от нижнего края подложки d (рис.3). Легко видеть, что в обоих случаях наблюдается линейная зависимость.
На рисунке 4 представлена зависимость средней деформации в зависимости от расстояния от нижнего края подложки. Очевидно, что максимальная деформация достигается на деминерализованном конце подложки.
Для исследования биологической активности полученного каркаса (PCL с нанесением желатина) были нанесены клетки преостеобласта (MC3T3). Эти клетки продемонстрировали различную адгезивность и морфологию в различных участках каркаса. Участок с наибольшей концентрацией фосфата кальция продемонстрировал наибольшую плотность клеток, в то время как на участке, где фосфат кальция практически отсутствовал концентрация MC3T3 была малой (рис.5).
Главным преимуществом предложенного в данной работе метода является возможность варьирования механических свойств каркаса, путем изменения распределения фосфата кальция на поверхности подложки. Это дает возможность создания материала, который сможет выступать в качестве соединительной ткани между костями и сухожилиями в каждом конкретном случае.
