Investigation of Nano- And Microstructure of Biomaterials for Regenerative Medicine by Method of Scanning Probe Nanotomography

Abstract

Лаборатория бионанотехнологий ФГБУ «Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова» Минздрава России, Москва, Российская Федерация Цель. Провести исследование трехмерной микро-и наноструктуры пористых биосовместимых матриксов и выполнить количественный анализ наномасштабной пористости. Материалы и методы. Трехмерные пористые матриксы из высокоочищенного спидроина rS1/9 (рекомбинантного аналога белка паутины) были получены методом выщелачивания. Размер макропор полученных трехмерных матриксов составил от 200 до 400 мкм. Изучение трехмерной структуры матриксов производилось методом сканирующей зондовой нанотомографии при помощи экспериментальной установки, объединяющей ультрамикротом и сканирующий зондовый микроскоп. Результаты. Получена трехмерная нанотомографическая реконструкция структуры стенки макропоры матрикса. Установлено, что в объеме стенок макропор исследуемых матриксов формируется трехмерная сеть сообщающихся пор и каналов с размерами от 20 до 700 нм. Средний диаметр пор составляет 150 нм. Объемный коэффициент пористости стенок макропор составляет 22%, при этом объемная доля пор, взаимосвязанных между собой и соединяющихся в кластеры, составляет порядка 20% от объема всех пор. Заключение. Полученные в результате исследования количественные характеристики пористой микро-и наноструктуры матриксов показывают заметную степень наномасштабной пористости и проницаемости стенок макропор, что коррелирует с высокой эффективностью регенерации тканей на подобных матриксах при их имплантации in vivo. Использование метода сканирующей зондовой нанотомографии для анализа характеристик и топологии систем микрои нанопор позволяет повысить эффективность разработок по созданию новых биосовместимых и биодеградируемых материалов с заданными морфологическими, физико-химическими и биологическими характеристиками.

Ultrastructural 3D Microscopy for Biomedicine: Principles, Applications, and Perspectives

“…Application of different SPM measurement techniques allows one to collect information on morphology, as well as local electrical [ 75 ], mechanical [ 76 ], and many other properties. The technique enables reconstruction of the 3D distribution of nanoparticles in the bulk of nanomaterials [ 75 , 76 ] and 3D topology of nanoporous structures [ 77 , 78 , 7 , 80 ].…”