Международная группа ученых под руководством исследователя Сколтеха разработала метод изготовления микрокапсул из биоразлагаемого полимера, высокая эффективность которых достигается за счет необычного дизайна по принципу традиционных русских пельменей. Две статьи по результатам исследования опубликованы в журналах Materials and Design и ACS Applied Materials and Interfaces.
Разработанные учеными микроскопические капсулы можно использовать для различных целей, однако самым эффективным оказалось их применение для адресной доставки лекарственных препаратов и других биоактивных соединений. Для обеспечения оптимальной работы капсул и получения необходимой формы необходима высокая точность при их проектировании и изготовлении. Кроме того, ученые установили, что несферические капсулы по ряду характеристик эффективнее сферических.
«У несферических капсул высвобождение препарата может происходить направленно с разрушением одной из сторон капсулы. Также при помощи магнитного излучения можно управлять движением капсул в потоке жидкости. Но главное преимущество этих капсул состоит в том, что биологическим клеткам легче усваивать несферические объекты. Впрочем, этот феномен пока мало изучен», − рассказывает ведущий автор статей, профессор Сколтеха и Лондонского Университета Королевы Марии Глеб Сухоруков.
В статьях Глеб Сухоруков и его коллеги описывают способ изготовления капсул микронного размера пирамидальной, прямоугольной и торпедообразной формы при помощи легкой литографии. Суть этого метода состоит в том, что сначала на шаблон с микро-структурированным рельефом наносится полимер, а затем активное вещество, например, лекарственный препарат. Сверху наносится еще один герметичный слой полимера. Таким образом, содержимое оказывается зажатым между двумя слоями. Затем капсулы печатают путем вдавливания на желатине, после чего желатин растворяют в воде и извлекают из раствора готовые капсулы.
«Наш метод основан на том же принципе, что и процесс изготовления пельменей или вареников, только вместо мяса, творога, ягод или картошки мы используем другую «начинку», например, белки или другие биологически активные вещества, причем делаем это на уровне микроструктуры», − поясняет Глеб Сухоруков.
В первой статье описаны два метода, основанные на использовании многослойного полиэлектролита и полимолочной кислоты. С помощью этого метода ученые получили капсулы торпедообразной формы длиной 7 микрометров, которые обладали большой вместимостью и способностью удерживать гидрофильные молекулы, а также хорошо усваивались клетками, не вызывая токсического эффекта. «Предлагаемый метод позволяет доставлять в клетки самые разные активные вещества, независимо от их растворимости и молекулярной массы», − отмечается в статье.
Во второй статье представлены капсулы пирамидальной и прямоугольной формы из полимолочной кислоты с размерами около 1 и 11 микрометров, соответственно. При использовании капсул для доставки вещества в клетку и/или хранения вещества в ожидании последующего контролируемого высвобождения эти капсулы в течение нескольких дней достаточно стабильно удерживали помещенные внутрь небольшие водорастворимые молекулы.
«До сих пор для создания капсул мы использовали полимолочную кислоту. Теперь мы планируем проверить наш метод на других полимерах, которые могут разрушаться при высвобождении вещества только при определенных условиях, таких как температура, наличие ферментов, уровень pH и других», − отмечает Глеб Сухоруков.
Исследование проводилось с участием специалистов Национального исследовательского Томского политехнического университета, Университета Генуи (Италия), Научно-технического университета AGH (Польша), Сингапурского институт инноваций в пищевой промышленности и биотехнологиях и Института материаловедения и инжиниринга, THALES Research & Technology и Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.