Механические сигналы внеклеточного окружения играют важную роль в дифференцировке, метаболической активности, миграции клеток, адгезии и др [1, 2]. Поэтому при проектировании биоматериалов для биомедицины необходимо иметь полное представление не только о химических, но и о структурных и механических свойствах изучаемого полимера. Гидрогели являются перспективными материалами для воссоздания клеточного окружения и могут быть применены как в форме объёмных трёхмерных конструкций, так и в виде функционализируемых покрытий [3, 4].

Растительный полисахарид пектин образует биосовместимые и биоразлагаемые нетоксичные гидрогели благодаря механизму ионного желирования. Кроме того, по своей структуре пектин напоминает гиалуроновую кислоту – основной компонент ВКМ взрослого мозга [5].

Поэтому целью данной работы стало изучение структурных и вязкоупругих свойств гидрогелей и покрытий на основе модифицированных пектинов и их влияния на нейральные клетки in vitro.

Мы разработали варианты гелей с различной структурой и вязкоупругими свойствами, меняя концентрацию пектина и количество свободных карбоксильных групп (степень этерификации, СЭ). Модуль накопления гидрогелей экспоненциально возрастал с увеличением концентрации пектинового порошка и варьировался в диапазоне от 3 до 900 Па. Мы подобрали пары материалов со СЭ 0% и 50% с аналогичной реологией свыше 100 Па для ремоделирования внеклеточного матрикса центральной нервной системы. Особенности набухания гидрогелей и их стабильность in vitro, а также структура, изученная с помощью СЭМ и FTIR, отличались, что может быть важно для биомедицинского применения. Механические и морфологические характеристики гидрогелей были изучены также в формате покрытий с помощью АСМ. Биоанализы на культурах глиобластомы C6 и U87MG показали антиглиомный потенциал применения гидрогелей за счет снижения пролиферативной и метаболической активностей клеток и модулирования их миграции, и поддержания при этом высокой жизнеспособности нервных клеток. При этом материалы со СЭ 50% вне зависимости от концентрации оказали более сильный ингибирующий эффект на метаболизм опухолевых клеток, чем материалы со СЭ 0%.



1. Petrov P. B., Ivanov I. I., et al., J. Mag. Mag. Mater. 311, 6 (2007).

2. Mahumane, G.D.; Kumar, P.; et al. 3D Scaffolds for Brain Tissue Regeneration: Architectural Challenges. Biomater. Sci. 6 (2018).

3. Hrapko, M.; van Dommelen, J.A.W. et al. Characterisation of the Mechanical Behaviour of Brain Tissue in Compression and Shear. Biorheology 45 (2008).

4. Gomez-Florit, M.; Pardo, A.; et al. Natural-Based Hydrogels for Tissue Engineering Applications. Mol. Basel Switz. 25 (2020).

5. Van Vlierberghe, S.; Dubruel, P.; et al. Biopolymer-Based Hydrogels as Scaffolds for Tissue Engineering Applications: A Review. Biomacromolecules 12 (2011).

6. Munarin, F.; Tanzi, M.C.; et al. Advances in Biomedical Applications of Pectin Gels. Int. J. Biol. Macromol. 51 (2012).

Mechanical signals of the extracellular environment play an important role in differentiation, metabolic activity, cell migration, adhesion, etc. [1, 2]. Therefore, when designing biomaterials for biomedicine, it is necessary to have a complete understanding not only of the chemical, but also of the structural and mechanical properties of the polymer under study. Hydrogels are promising materials for recreating the cellular environment and can be used both in the form of three-dimensional structures and in the form of functionalized coatings [3, 4].

The plant polysaccharide pectin forms biocompatible and biodegradable non-toxic hydrogels due to the ion gelling mechanism. In addition, pectin resembles hyaluronic acid in its structure, which is the main component of the ECM of the adult brain [5].

Therefore, the purpose of this work was to study the structural and viscoelastic properties of hydrogels and coatings based on modified pectins and their effect on neural cells in vitro.

We have developed variants of gels with different structures and viscoelastic properties, changing the concentration of pectin and the number of free carboxyl groups (degree of esterification, DE). The accumulation modulus of hydrogels increased exponentially with increasing concentration of pectin powder and varied in the range from 3 to 900 Pa. We selected pairs of materials with 0% and 50% DE with similar rheology over 100 Pa for remodeling the extracellular matrix of the central nervous system. The features of the swelling of hydrogels and their stability in vitro, as well as the structure studied using SEM and FTIR, differed, which may be important for biomedical applications. The mechanical and morphological characteristics of hydrogels were also studied in the coating format using AFM. Bioassays on glioblastoma C6 and U87MG cultures have shown the antigliomic potential of using hydrogels by reducing the proliferative and metabolic activity of cells and modulating their migration, while maintaining high viability of nerve cells. At the same time, materials with a DE of 50%, regardless of concentration, had a stronger inhibitory effect on the metabolism of tumor cells than materials with a DE of 0%.

1. Petrov P. B., Ivanov I. I., et al., J. Mag. Mag. Mater. 311, 6 (2007).

2. Mahumane, G.D.; Kumar, P.; et al. 3D Scaffolds for Brain Tissue Regeneration: Architectural Challenges. Biomater. Sci. 6 (2018).

3. Hrapko, M.; van Dommelen, J.A.W. et al. Characterisation of the Mechanical Behaviour of Brain Tissue in Compression and Shear. Biorheology 45 (2008).

4. Gomez-Florit, M.; Pardo, A.; et al. Natural-Based Hydrogels for Tissue Engineering Applications. Mol. Basel Switz. 25 (2020).

5. Van Vlierberghe, S.; Dubruel, P.; et al. Biopolymer-Based Hydrogels as Scaffolds for Tissue Engineering Applications: A Review. Biomacromolecules 12 (2011).

6. Munarin, F.; Tanzi, M.C.; et al. Advances in Biomedical Applications of Pectin Gels. Int. J. Biol. Macromol. 51 (2012).