Один из трендов современной науки — разработка и улучшение технологии создания искусственных органов и тканей. Для этого необходимы абсолютно новые материалы, которые можно использовать для разработки полимерных матриксов. Такие матриксы служат основой, на которую высаживают живые клетки, чтобы они могли расти и развиваться, формируя ткани. Но как проверить, насколько прочными, упругими и биосовместимыми будут такие материалы?
Для измерения физико-механических свойств материалов и их поведения под нагрузкой ученые используют специальные испытательные установки. С их помощью можно выяснить, как материал реагирует на растяжение и сжатие, что помогает понять его свойства и поведение при определенных нагрузках. В НИЦ "Курчатовский институт" разработали уникальную установку, которая позволяет проводить такие испытания прямо в камере растрового электронного микроскопа (РЭМ) в режиме естественной среды, in situ.
— Главная причина создания установки для РЭМ — визуализация поверхности образцов во время механических нагрузок. Установка важна для того, чтобы видеть взаимодействие клеток с поверхностью образца во время механических нагрузок при сжатии и растяжении. Однако для работы в РЭМ необходимо создать особые условия. Источник сигнала в таком микроскопе — поток электронов, позволяющий собирать информацию с поверхности образца различными детекторами обратно-рассеянных и вторичных электронов. Поэтому в камере электронного микроскопа обычно поддерживается высокий вакуум, иначе сигнал будет пропадать при столкновении электронов с газом по пути к образцу и от образца к детекторам. Кроме того, из-за низкого давления в камере РЭМ органические образцы нужно заранее обезвоживать специальными методами, чтобы избежать повреждения их поверхности из-за резкого перепада давления. Также образцы, не проводящие электрический ток, покрывают тонким слоем золота или углерода, чтобы не дать их поверхности зарядиться от электронов первичного пучка и начать отклонять их от исследуемой области. Таким образом, для исследования живых клеток и влажных образцов необходим специальный режим естественной среды, при котором образец охлаждается до 10 °C, а давление в камере опускается до около 1200 Па, что позволяет достигнуть 100% влажности водяных паров у поверхности образца и сохранить его в нативном состоянии в течение примерно получаса, — говорит Тимофей Пацаев, младший научный сотрудник Ресурсного центра зондовой и электронной микроскопии НИЦ "Курчатовский институт".
Новая установка позволяет изучать механические свойства материалов как в режиме высокого вакуума, так и в режиме естественной среды без необходимости дополнительной пробоподготовки. Это особенно важно при исследовании биологических объектов — клеток и тканей, которые сохраняют свою естественную структуру в ходе изучения.
С помощью новой установки ученые исследовали нетканые и губчатые образцы из поли-L-лактида — полимера, который используют для создания искусственных органов. Они выяснили, как эти материалы реагируют на растяжение и сжатие, как меняется структура полимеров при их разрушении в специальных условиях.
Визуализация образцов на микроуровне при использовании РЭМ одновременно с получением механических данных с помощью разработанной установки в режиме естественной среды позволит ученым изучать новые материалы с высокой точностью, в условиях, максимально приближенных к реальным. Это открывает новые возможности для создания более эффективных и безопасных материалов для искусственных органов и тканей.