Влияние воды на продольный гигагерцовый модуль упругости гидрогеля на основе коллагена методами оптической спектроскопии исследовала студентка кафедры физических методов исследования твердого тела Физического факультета Новосибирского государственного университета Анна Лактионова под научным руководством кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Института автоматики и электрометрии СО РАН Валерии Зыковой. Данные этого исследования стали основой для магистерской диссертации, которую она успешно защитила в этом году. В своей работе она применила оптические методы исследования — спектроскопию рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ) и спектроскопию комбинационного рассеяния света (КРС).
— Изменение упругих свойств биообъектов может быть связано с нарушениями функционирования живых клеток, в таких случаях информация об упругом модуле играет ключевую роль. В настоящее время активно развивается бесконтактная и неинвазивная методика для характеризации вязкоупругих свойств материалов – спектроскопия рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (РМБ), которая хорошо себя зарекомендовала в приложении к биомедицинским задачам. Спектроскопия РМБ позволяет получать информацию о скорости звука в веществе и о гигагерцовом упругом модуле. Однако при исследовании реальных биотканей возникают трудности в интерпретации экспериментальных данных, которые связаны с многокомпонентным составом изучаемых объектов и небольшими изменениями величины упругого модуля вследствие возникающих в биообъекте патологий. Это связано с тем, что основной вклад в значение модуля упругости в случае реальных тканей вносит водная составляющая, содержание которой достаточно велико для случая биологических образцов. По этой причине исследователи часто используют вместо реальных тканей более простые модельные двухкомпонентные объекты, представляющие собой гидрогели, в частности, гидрогели на основе коллагена. За счет варьирования содержания воды достигаются различные параметры вязкоупругих свойств, тем самым гидрогели имитируют свойства широкого многообразия реальных тканей, — объяснила Анна Лактионова.
Для проведения исследований были изготовлены образцы гидрогелей на основе коллагена с различным содержанием воды. Далее с помощью ряда оптических методик (РМБ, КРС, низкочастотного КРС и деполяризованного рассеяния света) Анна охарактеризовала упругие и релаксационные свойства изготовленных гидрогелей. Измерение спектров производилось во время сушки образцов гидрогелей на воздухе. Делалось это для того, чтобы пронаблюдать, как в зависимости от содержания воды в образце изменяются его упругие свойства, определяемые из параметров спектра рассеяния света.При дегидратации образца от наиболее гидратированного состояния (содержание воды 99,5 %) до полностью сухого модуль упругости увеличивается в 6 раз. При этом значительный рост наблюдается при концентрациях белка выше 60 %. Для подробного изучения такого поведения понадобилось два спектрометра, позволяющих синхронно измерять спектры РМБ и КРС. В связи с этим возникли некоторые трудности. Устройства находились в разных помещениях, что могло повлиять на точность измерений: пока образец переносили из одного кабинета в другой, он мог подвергнуться нежелательному воздействию внешних факторов, что привело бы к его дополнительному подсыханию. Для характеризации содержания воды в образцах и их упругого модуля от одной и той же точки в процессе сушки, участники эксперимента, который проводился в Лаборатории спектроскопии конденсированных сред Института автоматики и электрометрии СО РАН, установили оптоволоконный канал между двумя спектрометрами. Данное техническое решение реализовано впервые в России.
Анализ зависимости позиции бриллюэновких линий от концентрации белка в гидрогеле показал, что значение гигагерцового упругого модуля меняется почти в 6 раз внутри полного диапазона концентраций (содержание воды 0 – 100 %). Это очень значительное изменение. Ранее в литературе было продемонстрировано, что в случае воздействия химических обработок оно составляет всего несколько процентов. Данный факт в полной мере показывает сильное влияние воды. Полученная концентрационная зависимость величины упругого модуля была описана моделью, рассматривающей гидрогель в виде жесткого белкового каркаса, заполненного водой.
— Из анализа формы бриллюэновского спектра гидрогелей была получена нетривиальная зависимость ширины линии РМБ от содержания белка. Принято считать, по крайней мере, для однокомпонентных систем, что ширина бриллюэновской линии характеризует вязкость исследуемого объекта. Однако в нашем случае все оказалось не так просто. При высыхании гидрогеля ширина линии РМБ действительно увеличивалась до концентраций белка около 70%, где наблюдался экстремум зависимости. При дальнейшей дегидратации, вплоть до полностью сухого коллагена, ширина линий РМБ сужалась. По нашим предположениям, причина такого неожиданного результата заключается во влиянии релаксационных процессов на форму спектра РМБ гидрогеля. Для подтверждения данной гипотезы потребовались проведение исследования с применением еще одной спектроскопической методики– спектроскопии деполяризованного рассеяния света, — рассказала Анна Лактионова.
Комплексное сравнение поведения ширины линии РМБ и формы деполяризованного спектра, позволило убедиться в релаксационной природе уширения бриллюэновской линии при изменении содержания воды. Результаты спектроскопии РМБ гидрогелей с различным содержанием воды для нескольких температур (25, 0, -10 °C) дополнительно подтвердили влияние релаксационных процессов на ширину бриллюэновской линии, — объяснила Анна Лактионова.
Анализ полученных результатов позволил получить полную информацию о характере взаимодействия биополимерной матрицы с водной компонентой и детально изучить вопрос влияния водной составляющей на параметры бриллюэновского спектра гидрогеля различной степени гидратации. Участники исследования пришли к выводу: проделанная работа демонстрирует перспективность комплексного применения спектроскопических методик (РМБ, КРС, низкочастотного КРС и деполяризованного рассеяния света) для характеризации свойств гидрогелей и изучения вопроса взаимодействия воды с белковой матрицей.
— Изучать влияние воды на упругие свойства гидрогеля на основе коллагена с помощью оптических методов очень важно, потому что такой объект является достаточно простым для интерпретации спектральных данных, при этом он способен имитировать механические свойства более сложных биообъектов. Данная работа на примере таких простых объектов показывает возможности методов оптической спектроскопии, которые в будущем могут быть использованы для исследования более сложных реальных тканей, — сказала Анна Лактионова.
.jpg "Экономика как тренировка мышления. В НГУ завершился первый «Экономический челлендж»")
