Главная

ЛОР-заболевания

Тканевая инженерия на наноструктурированных матрицах. Новые направления клеточной биологии Тканевая инженерия в медицине основные этапы

Тканевая инженерия на наноструктурированных матрицах. Новые направления клеточной биологии Тканевая инженерия в медицине основные этапы

Тканевая инженерия – это наука о проектировании и изготовлении тканей, включая костную и другие скелетно-мышечные ткани. В основе как тканевой инженерии, так и морфогенеза, лежат три составляющие - морфогенетические сигналы, компетентные стволовые клетки и каркасные структуры. Восстановление скелетно-мышечных тканей обобщает и эмбриональное развитие, и морфогенез. Морфогенез – это развивающаяся группа наук, изучающих образование структур, общее строение организма на пути к взрослому функционированию.

Следовательно, импульсы, вовлеченные в морфогенез, необходимо использовать при инженерии костной ткани. Морфогенетические белки кости несут широконаправленную (плеотропную) функцию в первичном формировании структур, дифференцировке клеток и восстановлении кости и суставного хряща. Способность кости к её изменениям (рекреативная способность) зависит от морфогенетических белков кости в костном матриксе. Морфогенетические белки кости действуют через рецепторы и Smads 1, 5 и 8, стимулируя клеточные линии хряща и кости. Гомеостаз тканеинженерной кости и хряща зависит от поддержания внеклеточного матрикса и биомеханики. Использование морфогенетических белков кости в генной терапии и выделение стволовых клеток в биомиметических каркасных структурах внеклеточного матрикса ведет к функциональности костной ткани. В заключение необходимо отметить, что наше время – это время увлекательных открытий в области функциональной тканевой инженерии, костных импульсов, каркасных структур и стволовых клеток.

Одна из проблем, с которыми сталкивается хирург-ортопед – восстановление и реконструкция большого сегмента кости скелета, поврежденной в результате удаления злокачественной опухоли кости или травмы. Хотя аллогенный трансплантат для крупных сегментов кости завоевал все растущее одобрение, он имеет недостатки в виде возможных трещин. Проблема трещин кости у пациентов с постклимактерическим остеопорозом, метастазами, вызванными раком молочной железы или предстательной железы, и нарушением обмена веществ, таким как при диабете, требует применения к кости принципов тканевой инженерии.

Тканевая инженерия – это наука о проектировании и изготовлении новых тканей для функционального восстановления поврежденных органов и замещения частей организма, утраченных из-за рака, различных заболеваний и травм. Среди многих тканей организма кость имеет высокую способность к восстановлению, и поэтому является эталоном для принципов тканевой инженерии в целом. В ближайшее время накопление знаний в области тканевой инженерии приведет к созданию костных имплантов с заданными параметрами для применения в ортопедической хирургии.

Тремя основными составляющими тканевой инженерии и тканевой регенерации являются сигналы, стволовые клетки и каркасные структуры. Специфичность сигналов зависит от морфогенеза тканей и индуктивных раздражителей в развивающемся эмбрионе. Они в целом воспроизводятся во время регенерации. Костные трансплантаты используются хирургами уже более ста лет. Urist сделал важнейшее открытие показав, что имплантация деминерализованных, лиофильно высушенных сегментов аллогенной кости кролика вызывала формирование новой кости. Показано, что стимулирование костеобразования является последовательным, поэтапным действием, где три ключевых этапа – хемотаксис, митоз и дифференциация имеют место. Хемотаксис – это направленное перемещение клеток под влиянием химических сигналов, высвобождаемых из деминерализованного костного матрикса. Передвижение и последующая адгезия костно-образующих клеток на коллагеновом матриксе определяется наличием в нем фибронектина.

Пик распространения клеток под действием стимуляторов роста, высвобожденных из нерастворимого деминерализованного матрикса, наблюдается на третий день. Формирование хряща достигает своего максимума на 7-8 день, за ним следует инвазия сосудов и, начиная с 9 дня, наблюдается остеогенез. Формирование кости достигает максимума на 10-12 день, на что указывает активность щелочная фосфатазы. Затем следует увеличение объема остеокальцина, костной γ-карбоксиглутаминовой кислоты, содержащей белок (BGP). Новообразованная незрелая кость заполняется красным костным мозгом к 21 дню. Деминерализованная кость за счет выделения костных морфогенетических белков, определяющих первоначальные импульсы к морфогенезу костной ткани, а также формированию множества органов помимо кости, таких как мозг, сердце, почки, легкие, кожа и зубы. Следовательно, можно относиться к морфогенетическим белками кости как к морфогенетическим белкам организма.

J.P. Fisher and A.H. Reddi, Functional Tissue Engineering of Bone: Signals and Scaffolds
Перевод Борисовой Марины

Тканевая инженерия когда-то классифицировалась как подраздел биологических материалов, но, увеличившись по своим масштабам и важности ее можно рассматривать как раздел в своем собственном праве. Ткани требуют определенных механических и структурных свойств для правильного функционирования. Термин «тканевая инженерия» также относится к коррекции выполнения конкретных биохимических функций с использованием клеток в искусственно созданной системе поддержки (например, искусственная поджелудочная железа, или искусственная печень). Термин «регенеративная медицина» часто используется как синоним тканевой инженерии, хотя в регенеративной медицине уделяется больше внимания использованию стволовых клеток для производства тканей.

Обычно тканевая инженерия, как заявил Лангер и Ваканти, рассматривается как «междисциплинарная область, в которой применяются принципы инженерии и биологии для разработки биологических заменителей, что есть восстановление, сохранение или улучшение функции тканей или целого органа». Тканевая инженерия также была определена как «понимание принципов роста тканей, и их применение для производства функциональных заменителей тканей для клинического использования». В более подробном описании говорится, что «основное предположение о тканевой инженерии является то, что использование природных биологических систем позволит достичь большего успеха в разработке терапевтических методов, направленных на замену, ремонт, обслуживание, и/или расширение функции ткани».

Клетки могут быть получены из жидких тканей, такие как кровь, множеством способов, как правило, это центрифугирование. Из твердых тканей клетки добывать труднее. Обычно ткань превращают в фарш, а затем переваривают с ферментами трипсина или коллагеназа для удаления внеклеточного матрикса, который содержит клетки. После этого клетки пускают в свободное плавание, и извлекают их как из жидких тканей. Скорость реакции с трипсином очень сильно зависит от температуры, а большие температуры наносят большой ущерб клеткам. Для коллагеназа нужны небольшие температуры, и, следовательно, здесь меньше потерь клеток, но реакция при этом занимает больше времени, а сам коллагеназ является дорогим реагентом. Клетки часто имплантируют в искусственные структуры, способные поддержать образование трехмерной ткани. Эти структуры называют строительными лесами.

Для достижения цели реконструкции ткани, строительные леса должны отвечать некоторым специфическим требованиям. Высокой пористостью и определенным размером пор, которые необходимы для содействия посева клеток и диффузии по всей структуре, как клеток, так и питательных веществ. Способность к биологическому разложению является часто существенным фактором, так как леса поглощаются окружающими тканями без необходимости хирургического удаления. Скорость, с которой происходит разложение, должна как можно больше совпадать со скоростью формирования тканей: это означает, что в то время, как изготовленные клетки создадут свою собственную природную матричную структуру вокруг себя, они уже в состоянии обеспечить структурную целостность в теле, и в конечном итоге строительные леса будут сломаны, оставив вновь образованную ткань, которая возьмет на себя механическую нагрузку.

Было исследовано множество материалов для строительных лесов (натуральных и синтетических, биоразлагаемых и постоянных). Большинство из этих материалов были известны в области медицины еще до появления в тканевой инженерии в качестве темы исследования, и уже использовались, например, в хирургии для наложения швов. Чтобы разработать строительные леса с идеальными свойствами (биосовместимость, не иммуногенность, прозрачность, и т.д.), для них были спроектированы новые материалы.

Леса также могут быть построены из натуральных материалов: в частности, были изучены различные производные от внеклеточного матрикса и их способность поддерживать рост клеток. Белковые материалы, такие, как коллаген или фибрин, и полисахариды, такие, как хитозан или гликозаминогликан (ГАГ), подходящие с точки зрения совместимости, но некоторые вопросы все еще остаются открытыми. Функциональные группы лесов могут быть полезны в доставке малых молекул (лекарств) для конкретных тканей.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки - это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. Существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974 - 1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 нм, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено.

Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование "пустотелых углеродных дендритов", при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и другой, вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существование одностенных углеродных нанотруб в 1986 г, но и высказал предположение об их большой упругости.

Структура нанотрубок

Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.

Рис.1. Сворачивание графитовой плоскости для получения (n, m) нанотрубки

Для получения нанотрубки хиральности (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R

Упорядоченная пара (n, m), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат называется хиральностью нанотрубки и обозначается. Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла α между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид:

где d 0 = 0,142 нм - расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости.

Связь между индексами хиральности (m, n) и углом α даётся соотношением:

Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (n, m) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы α = 0 (armchair конфигурация) и α = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (n, 0) и (2m, m) соответственно.

Одностенные нанотрубки

Структура одностенных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы. Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки с хиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С–С связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой.

Многостенные нанотрубки

Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении. Структура типа «русской матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.

Реализация той или иной структуры многостенных нанотрубок в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных данных указывает, что наиболее типичной структурой многостенных нанотрубок является структура с попеременно расположенными по длине участками типа «русской матрёшки» и «папье-маше». При этом «трубки» меньшего размера последовательно вложены в трубки большего размера.

Получение углеродных нанотрубок

Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры. Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) первым идентифицировал эти структуры, как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относятся электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм. Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемпературном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская и Швейцарская группа. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. При этом существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в свое время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучем лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени.

Таким образом, группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, "значительно упростив" технологию их синтеза. Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта позволило увеличить выход УНТ до 70-90%. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом - методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качестве катализатора использовались частицы металла группы железа. Один из варианов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD методом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур. Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла.

При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное "выделение" избыточного углерода в виде искаженной полуфулереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава, увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С–С представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку. Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от ее радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа "бамбук" или вложенные наноконусы. Полученные материалы только состоят из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.

Тканевая инженерия (ТИ), как дисциплина, начала свою историю в первой половине XX века. Фундаментом для её основания послужили теоретические и практические разработки по созданию "искусственных" органов и тканей и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонентов на носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма (Langer R., Vacanti J.P., 1993).

В настоящее время, тканевая инженерия является одной из наиболее молодых отраслей в медицине, базирующейся на принципах молекулярной биологии и генной инженерии. Используемый в ней междисциплинарный подход направлен в первую очередь на создание новых биокомпозиционных материалов для восстановления утраченных функций отдельных тканей или органов в целом (Spector M., 1999). Основные принципы данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биодеградирующих материалов, которые используются в сочетании либо с донорскими клетками и/или с биоактивными веществами. Например, при лечении раневого процесса - это могут быть коллагеновые покрытия с аллофибробластами, а в сосудистой хирургии - искусственные сосуды с антикоагулянтами (Vacanti С.А. et.al., 1993). Кроме того, одним из серьезных требований к такого рода материалам-носителям является и то, что они должны обеспечивать надежную поддерживающую, то есть опорную и/или структурообразовательную функцию в поврежденной области ткани или органа.

Следовательно, одной из основных задач тканевой инженерии в области лечения костных патологий является создание искусственных биокомпозитов, состоящих из алло- и/или ксеноматериалов в сочетании с биоактивными молекулами (костные морфогенетические белки, факторы роста и т.д.) и способных индуцировать остеогенез. При этом такие биоматериалы должны обладать рядом необходимых свойств кости (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi A.H.et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).

Во-первых, они должны выполнять и поддерживать (scaffold) объем дефекта.

Во-вторых, обладать остеоидуктивностью, то есть активно побуждать остеобласты и, возможно, другие мезенхимальные клетки к формированию кости.

И, в-третьих, иметь хорошие показатели биоинтеграции и биосовместимости, то есть быть деградируемыми и не вызывать у рецепиента воспалительных и иммунных реакций. Последнее качество обычно достигается в биоматериале только за счет снижения его антигенных характеристик.

Совокупность всех этих свойств позволяет таким биоматериалам параллельно с опорной, механической функцией, обеспечивать и биоинтеграцию - врастание клеток и сосудов в структуры имплантата с последующим формированием костной ткани.

Известно, что поддерживающий эффект любого биоматериала обеспечивается, как правило, его структурными особенностями. Для биоматериалов этот показатель обычно связан с архитектоникой нативной ткани, из которой он получен. Для кости, основными параметрами её структурной прочности являются твердо-эластические характеристики костного матрикса и величина пор в нем (Marra P. G.1998; Thomson R.C. et.al., 1998).

К наиболее распространенным биоматериалам с четко выраженной опорной функцией относятся искусственный и натуральный гидроксиапатит (ГА), биокерамика, полигликолевая кислота, а также коллагеновые белки (Friess W.,1998).

В настоящее время для замещения костных дефектов в хирургической стоматологии, ортопедии и травматологии используются много различных форм гидроксиапатита, отличающихся по форме и величине частиц. Считается, что искусственно полученный гидроксиапатит, по химическому составу и кристаллографическим показателям практически идентичен гидроксиапатиту нативной кости (Parsons J., 1988). Многими авторами и экспериментально, и клинически показано, что использование гидроксиапатита имеет значительные преимущества перед другими имплантационными материалами. Так, к его положительным характеристикам относятся такие показатели как легкость стерилизации, продолжительный срок хранения, высокий уровень биосовместимости и крайне медленная резорбция в организме (Воложин А.И. и соавт., 1993). Гидроксиапатит является биоинертным и хорошо совместимым с костью материалом (Jarcho M. et.al., 1977), как было показано с помощью экспериментальных исследований. В процессе замещения костного дефекта в присутствии ГА под влиянием биологических жидкостей и тканевых ферментов гидроксиапатит может частично или полностью резорбироваться (Klein А.А.,1983). Положительный эффект гидроксиапатита после его имплантации в костную полость объясняется, по-видимому, не только остеокондуктивными свойствами материала, но и его способностью сорбировать на своей поверхности белки, индуцирующие остеогенез (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

В настоящее время основную часть биоматериалов для восстановления костных дефектов получают из хрящевой и/или костной тканей человека или различных животных. Часто для изготовления композиционных материалов используются компоненты и других видов соединительной ткани - кожи, сухожилий, мозговой оболочки и т.д. (Воупе P.J., 1979; Yannas I.V. et.al., 1982; Chvapel M., 1982; Goldberg V.M. et.al., 1991; Damien C.J., Parsons J.R., 1991).

Наиболее известным из современных биоматериалов является коллаген. Его широкое применение в практической медицине связано с развитием реконструктивной хирургии и поиском новых материалов, выполняющих каркасную и пластическую функции при регенерации тканей. К основным достоинствам коллагена - как пластического биоматериала следует отнести его низкую токсичность и антигенность, высокую механическую прочность и устойчивость к тканевым протезам (Истранов Л. П., 1976). Источниками получения коллагена при изготовлении изделий для пластической хирургии служат ткани богатые этим белком - кожа, сухожилия, перикард и кость. Широкое распространение в медицинской практике получил раствор кожного коллагена, выпускаемый фирмой Collagen Corp. (Palo-Alto USA), под названиями "Zyderm" и "Zyplast". На основе этого коллагена были разработаны различные изделия медицинского назначения такие как - имплантаты, покрытия для ран, хирургические нити для ушивания раневых поверхностей и т.д.

В 70-х годах прошлого столетия были впервые получены данные о влиянии коллагеновых трансплантатов на репарацию костной ткани. При этом было установлено, что коллагеновые имплантаты способствуют пролиферации фибробластов, васкуляризации близлежащих тканей и, по-видимому, индуцируют формирование новой костной ткани с последующей ее перестройкой (Reddi A.H., 1985). В качестве быстро биодеградирующего материала коллаген был применен и в виде геля при восстановлении костных дефектов (De Balso A.M., 1976). Полученные данным автором результаты также позволили предположить, что препараты на основе коллагена способны стимулировать регенерацию костной ткани.

В это же время для замещения дефектов костной ткани были начаты исследования и по применению биокомпозиционных материалов, содержащих одновременно и коллаген, и гидроксиапатит. Так, для челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии были разработаны композиции "Alveloform" и "Bigraft", содержащие очищенный фибриллярный кожный коллаген и частицы ГА (фирма Collagen Corp., Palo Alto, USA). Данные биоматериалы были применены для восстановления альвеолярного гребня при хирургическом лечении больных с парадонтитами (Krekel G. 1981, Lemons M.M.1984, Miller E. 1992). Гистологические и ультраструктурные исследования доказали, что композиция - коллаген и ГА положительно влияет на регенерацию кости гребня, но при этом такого рода биоматериалы выполняют главным образом каркасную и проводниковую функции, то есть проявляют свои остеокондуктивные свойства (Mehlisch D.R., 1989). Позднее к аналогичным выводам пришли и многие другие исследователи и в настоящее время этой точки зрения придерживается большинство ученых (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. et.al., 1993).

Тем не менее, по данным другой группы исследователей биокомпозиционные материалы, содержащие кожный коллаген "Ziderm" и синтетический гидроксиапатит, обладают определенными остегенными потенциями. Так, Katthagen и соавт. (1984), изучая действие материала "Коллапат", содержащего кожный коллаген типа 1 и частицы высоко дисперсного гидроксиапатита, на восстановление костных дефектов бедренной кости у кроликов, установили, что регенерация костной ткани у опытных животных протекала в 5 раз быстрее, чем в контроле. Эти экспериментальные результаты легли в основу дальнейшего применения материала "Коллапат" в клинической практике.

Общеизвестно, что наиболее подходящими для трансплантации и последующей биоинтеграции несомненно являются аутотрансплантаты, которые готовятся из собственных тканей пациента и этим полностью исключаются основные иммунологические и большинство инфекционных осложнений при последующей пересадке (Enneking W.F. et.al., 1980; Summers B.N., Eisenstein S.M.,1989; Reddi A.H., 1985; Goldberg V.M. et.al., 1991). Однако, такие материалы должны готовиться непосредственно перед трансплантацией, в противном случае клиника должна иметь костный банк для хранения такого биоматериала, что в реальности доступно только очень крупным медицинским учреждениям из-за высокой стоимости приготовления и хранения данных материалов. Кроме того, возможности получения значительных количеств аутоматериала весьма ограничены и при его заборе, как правило, донор подвергается серьезным оперативным вмешательствам. Все это существенно ограничивает широкое применение аутотрансплантатов (Bos G.D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991). Следовательно, в области лечения костных патологий перед тканевой инженерией стоит реальная задача по созданию биокомпозиционных материалов, применение которых обеспечит решение многих проблем как по трансплантации клеток и стимуляции формирования кости в местах ее повреждения, так и по снижению трудовых и финансовых затрат при устранении костных повреждений у больных различного профиля.

В настоящее время усилиями ряда исследователей, работающих в области тканевой инженерии, были разработаны и внедрены биокомпозиционые материалы, в состав которых входят как нативные клетки костного мозга, так и стромальные остеогенные клетки-предшественнники, выращенные в монослойных культурах костного мозга (Gupta D., 1982; Bolder S., 1998). Этими авторами было установлено, что для успешной индукции остеогенеза в месте трансплантации необходимо создать высокую, начальную плотность стромальных предшественников - порядка 108 клеток. При этом простое введение суспензии таких клеток не давало хороших результатов. В связи с этим возникла серьезная проблема поиска носителей для трансплантации клеток в организм реципиента.

Впервые в качестве такого носителя Gupta D. et. al. (1982) предложили использовать ксенокость, предварительно обезжиренную и декальцинированную. Далее было установлено, что в зависимости от степени очистки ксенокости процент прикрепления клеточных элементов к носителю увеличивается, и клетки значительно лучше связываются с органической его частью, чем с природным костным гидроксиапатитом (Hofman S., 1999).

Из синтетических материалов в качестве носителей для трансплантации клеток в настоящее время широко применяют керамику (Burder S. 1998), которая представляет из себя искусственный гидроксиапатит, полученный при обработке три-кальций фосфата высокими температурами.

Отечественные стоматологи-хирурги в качестве подходящего носителя для трансплантации аллогенных фибробластов использовали твердую мозговую оболочку и отметили, что применение данного трансплантата с аллофибробластами при лечении хронического генерализованного пародонтита средней и тяжелой степени имеет ряд преимуществ перед другими способами лечения (Дмитриева Л.А., 2001).

Ранее в серии работ по конструированию "искусственной кожи" было обнаружено, что успех восстановления данной ткани после её повреждения зависит от состояния клеточного микроокружения в поврежденном участке. С другой стороны, само микроокружение создается оптимальным сочетанием основных компонентов межклеточного матрикса, таких как коллагены, гликопротеины и протеогликаны (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt В., Levine N., 1984; Madden M. et.al., 1994).

Коллаген является типичным фибриллярным белком. Его индивидуальная молекула - тропоколлаген состоит из трех спирализованных полипептидных цепей, называемых a-цепями, которые скручены между собой в одну общую спираль и стабилизированны водородными связями. Каждая a-цепь содержит в среднем около 1000 аминокислотных остатков. В костной ткани существует две основных комбинации цепей - две λ1 и одна λ2 или коллаген типа 1 и три λ-1 или коллаген типа III. Кроме названных типов в кости были обнаружены в минорных количествах и другие изоформы коллагена (Серов В. П., Шехтер А. Б., 1981).

Протеогликаны это сложные соединения полисахаридов с белком. Полисахариды, входящие в состав протеогликанов, представляют из себя линейные полимеры, построенные из разных дисахаридных субъединиц, образованных уроновыми кислотами (глюкуроновой, галактуроновой и идуроновой), N-ацетилгексозаминами (IM-ацетилглюкозамин, N-ацетил-галактозамин) и нейтральными сахаридами (галактозой, маннозой и ксилозой). Эти полисахаридные цепи называются гликозаминогликанами. По меньшей мере один из Сахаров в дисахариде имеет отрицательно заряженную карбоксильную или сульфатную группу (Стейси М., Баркер С,1965). Зрелая костная ткань содержит в основном сульфатированные гликозаминогликаны (сГАГ), такие как хондроитин-4- и хондроитин-6-сульфаты, дерматан-сульфат и кератан-сульфат. Биосинтез протеогликанов в костной ткани осуществляется главным образом активироваными остеобластами и в незначительной степени зрелыми остеоцитами (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Функциональное значение сульфатированных гликозаминогликанов в соединительной ткани (СТ) велико и связано в первую очередь с формированием коллагеновых и эластиновых волокон. Сульфатированные гликозаминогликаны участвуют практически во всех процессах обмена соединительной ткани и могут оказывать модулирующее влияние на дифференцировку её клеточных элементов (Панасюк А.Ф. и соавт., 2000). От их качественных и количественных характеристик в тканях, а также специфики взаимодействия с другими компонентами межклеточного матрикса, зависят многие показатели регенерации СТ.

Регенерация и восстановление костной ткани представляют из себя комплекс последовательных процессов, включающих как активацию клеток остеогенного ряда (рекрутирование, пролиферацию и дифференцировку), так и непосредственное формирование специализированного матрикса - его минерализацию и последующее ремоделирование костной ткани. При этом данные клетки всегда находятся под контролем и влиянием ряда биологических и механических факторов .

По современным представлениям тканевая инженерия (ТИ) костной ткани опирается на три основных принципа, обеспечивающих успешное замещение данной ткани.

Во-первых, наиболее важным принципом при создании биоматериалов и конструкций для имплантации является воспроизведение основных характеристик природного костного матрикса, потому что именно уникальное cтроение костной ткани оказывает самое выраженное влияние на процессы регенерации. Известно, что эти характеристики матрикса зависят от его трехмерной структуры и химического состава, а также от его механических свойств и способности влиять на клеточные формы соединительной ткани (СТ).

Архитектоника матрикса включает в себя такие параметры как соотношение поверхности к объему, наличие системы пор, и, что наиболее важно, его функциональные и механические свойства. Благодаря этим показателям матрикс, по-видимому, может регулировать врастание сосудов, обеспечивать хемотактические стимулы для эндогенных клеток, модулировать клеточное прикрепление, стимулировать деление, дифференцировку и последующую минерализацию. Считается, что трехмерная структура построения матрикса может влиять не только на процессы индукции, но и на саму скорость регенерации .

Следовательно, конструируемый с помощью тканевой инженерии биоматериал или конструкция должны обладать свойствами, которые в условиях in vivo способны обеспечивать как кондуктивные, так и индуктивные свойства природного матрикса. К первым относятся такие показатели как способность заполнения и поддержания объема, механическая интеграция, обеспечение проницаемости для клеток и сосудов. Вторые - обеспечивают прямое или опосредованное воздействие на клеточные формы, стимулируя их к формированию хрящевой и/или костной тканям.

Следующим важным принципом успеха направленной костной тканевой инженерии является применение экзогенных и/или активация эндогенных клеток, которые непосредственно участвуют в процессах созидания данной ткани. При этом источником таких клеток может быть как собственный, так и донорский организм. Например, использование определенных клеточных типов от плюрепотентных стромальных клеток костного мозга до коммитированных остеобластоподобных клеток были успешно использованы и в экспериментах на животных, и в клинике .

Как правило, при обратной трансплантации в организм стромальные клетки-предшественники способны дифференцироваться в зрелые формы, синтезировать матрикс и запускать каскад эндогенных реакций репарации костной ткани. Вместе с тем, альтернативный взгляд на применение композиционных биоматериалов предполагает их непосредственное воздействие на эндогенные костные и другие клетки соединительной ткани, их рекрутирование (привлечение) в зону имплантации, стимуляцию их пролиферации и повышение их биосинтетической активности, принуждая эти клетки активно формировать костную ткань. Кроме того, такие материалы могут быть хорошими клеточными носителями, на которых возможно выращивание стволовых клеток перед их трансплантацией. Последним из главных принципов успеха тканевой инженерии кости является применение биоактивных молекул, включающих факторы роста, цитокины, гормоны и другие биологически активные вещества.

Для индукции костеообразования наиболее известными факторами являются костные морфогенетические белки, трансформирующий фактор роста - TGF-β , инсулиноподобный фактор роста IGF и фактор роста эндотелия сосудов VEGF.. Следовательно, биокомпозиционный материал может быть насыщен и/или содержать в своей структуре данные биоактивные молекулы, что позволяет использовать его при имплантации в качестве депо для таких субстанций. Постепенное высвобождение данных факторов может активно влиять на процессы костного восстановления. Кроме данных веществ в состав композиционных материалов могут входить микро- и макроэлементы, а также другие молекулы (сахара, пептиды, липиды и т.д.), способные обеспечивать стимуляцию и поддержание повышенной физиологической активности клеток в восстанавливающейся костной ткани.

В настоящее время существует большое количество разнообразных биопластических материалов, которые обладают остеокондуктивными и/или остеоиндуктивными свойствами . Так, материалы, содержащие практически чистый гидроксиапатит (ГА), такие как "Остеогаф", "Био-Осс", "Остеомин", "Остим" проявляют главным образом кондуктивные свойства, хотя они и способны оказывать слабый остеоиндуктивный эффект. Другая группа материалов представляет из себя полностью или частично деминерализованную костную ткань, а так же сочетаниями этих материалов с биологически активными субстанциями, такими как костные морфогенетические белки и/или факторами роста [Панасюк А.Ф. и соавт, 2004].

Наиболее важными требованиями к биопластическим материалам остаются такие параметры, как их антигенные и индуктивные свойства. Кроме того, для разного рода операций часто требуются материалы, обладающие, наряду с вышеуказанными показателями, хорошими пластическими или прочностными характеристиками для создания и поддержания необходимых форм и конфигураций при заполнении полостей и тканевых дефектов.

С учетом всего сказанного выше, фирмой ООО "Конектбиофарм" была разработана технология получения костного коллагена и костных сульфатированных гликозаминогликанов (сГАГ) и на их основе изготовлены биокомпозиционные остеопластические материалы серий "Биоматрикс" и "Остеоматрикс". Основное различие между этими группами биоматериалов состоит в том, что "Биоматрикс" содержит костный коллаген и костные сульфатированные гликозаминогликаны, а "Остеоматрикс", имея в своем составе те же два основных компонента костной ткани, содержит ещё и гидроксиапатит в природной форме [Панасюк А.Ф. и соавт, 2004]. Источником этих биоматериалов являются губчатые и кортикальные кости различных животных, а также человека. Полученный по данной технологии костный коллаген не содержит других белков и, в условиях in vitro, практически не растворим в достаточно концентрированных растворах щелочей и органических кислот.

Это свойство позволяет биоматериалам быть не только инертными в отношении иммунной системы организма, но и в течение длительного времени после их имплантации быть устойчивым к биораспаду. В настоящее время для ускорения роста кости и мягких тканей активно применяется методика стимуляции клеток богатой тромбоцитами плазмой (БоТП). Эта новая биотехнология направленной тканевой инженерии и клеточной терапии является по мнению ряда авторов настоящим прорывом в хирургической практике . Однако, для получения такой плазмы требуется определенное техническое оснащение, а в ряде случаев и специально подготовленные сотрудники . Использование для этих целей материала "Биоматрикс" полностью решает настоящую проблему с минимальными затратами потому, что нет необходимости выделять тромбоциты из крови пациента. В серии экспериментов нами было установлено, что материал "Биоматрикс" способен специфически и в больших количествах связывать тромбоциты периферической крови (табл.1).

Таблица 1. Связывание тромбоцитов крови костным коллагеном.

* - 6 мл крови инкубировали с 1 гр костного коллагена (1 гр. сухого костного коллагена занимает объем от 2 до 7 см³ в зависимости от величины его пористости). Данные в таблице представлены как содержание тромбоцитов в 1 мл крови после её пропускания через 1 см³ костного коллагена.

Так, 1 см³ биоматериала "Биоматрикс" способен связывать практически все тромбоциты (более 90%) из 1 мл крови, то есть от 226 до 304 миллионов тромбоцитов. При этом связывание тромбоцитов костным коллагеном происходит быстро и завершается в течение нескольких минут (график 1).

График 1. Скорость связывания тромбоцитов крови костным коллагеном.

Было установлено также, что, если биоматериал "Биоматрикс" применялся без прикрытия антикоагулянтами, то формирование сгустка происходило практически мгновенно. В настоящее время доказано, что рабочая концентрация для богатой тромбоцитами плазмы начинается с 1 миллиона тромбоцитов в мкл..Следовательно, для получения богатой тромбоцитами плазмой тромбоциты крови необходимо сконцентрировать в среднем в 5 раз, но при этом такое выделение требует и существенных финансовых затрат, и определенного профессионального опыта. Кроме того, для активации тромбоцитов и выделения ими 7 факторов роста: 3-х видов PDGF-aa, -bb, -ab, двух трансформирующих факторов роста - TGF-β1 и β2 , фактора роста эндотелия сосудов VEGF и фактора роста эпителия EGF - богатая тромбоцитами плазма перед её употреблением должна быть коагулирована . По сравнению с известными методами, на биоматериале "Биоматрикс" удается существенно повысить концентрирование тромбоцитов. Одновременно с этим коллаген является именно тем белком, который способен активировать фактор Хагемана (ХII фактор свертывания крови) и систему комплемента.

Известно, что активированный фактор Хагемана запускает каскад реакций системы свертывания крови и приводит к образованию сгустка фибрина. Данный фактор или его фрагменты способны инициировать также калликреин-кининовую систему крови. Таким образом, костный коллаген в составе материалов "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" способен активировать основные системы протеолиза плазмы крови, которые ответственны за поддержание гемодинамического равновесия и обеспечение регенераторных реакций организма. В отличие от богатой тромбоцитами плазмой, которая сама не обладает остеоиндуктивным эффектом, то есть не может инициировать образование кости без присутствия костных клеток, материалы "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" обладают такой потенцией.

Так, при внутримышечной имплантации биоматериалов "Биоматрикс" и, особенно, "Остеоматрикс" происходит формирование эктопическое костной ткани, что непосредственно доказывает остеоиндуктивную активность данных материалов [Иванов С.Ю. и соавт., 2000]. Совместное применение богатой тромбоцитами плазмы с рекомбинантным костным морфогенетическим белком, который может стимулировать клетки соединительной ткани к формированию костной ткани, решает данную проблему, но это приводит к существенному удорожанию методики. Необходимо отметить также, что материалы серии "Остеоматрикс" имеют в своем составе природный костный гидроксиапатит, который способен аффинно аккумулировать на своей поверхности синтезируемые остеобластами костные морфогенетические белки, и таким образом дополнительно стимулировать остеогенез ("наведенная остеоиндукция").

При этом полностью снимается возражение о возможности развития опухолей вследствии использования рекомбинантных белков потому, что в случае аналогичного применения материалов "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" в зоне имплантации присутствуют только естественные белки природного происхождения. Материалы серий "Биоматрикс" и "Остеоматрикс" обладают и другим уникальным качеством – они способны аффинно связывать сульфатированные гликозаминогликаны [Панасюк А.Ф., Саващук Д.А., 2007]. Это связывание в условиях подобно связыванию тромбоцитов происходит за короткий промежуток времени и количество связавшихся сульфатированных гликозаминогликанов значительно превышает физиологические показатели (таблица 2).

Таблица 2. Связывание сульфатированных гликозаминогликанов костным коллагеном.

В настоящее время хорошо известно, что применяемые по отдельности и коллаген, и гидроксиапатит обладают в основном остеокондуктивными свойствами, то есть способны играть роль только «способствующего» материала для создания новой кости. Однако, эти молекулы могут оказывать на клетки остеобластического ряда и слабый остеоиндуктивный эффект, за счет некоторых своих биологических свойств.

Этот остеоиндуктивный эффект усиливается при комплексном применении этих двух типов молекул . С другой стороны, если вместе с коллагеном и гидроксиапатитом в биоматериалах будут представлены и сульфатированные гликозаминогликаны, то такой комплекс по своей структуре будет более близок к природному костному матриксу и, следовательно, обладать его функциональными характеристиками в более полном объеме. Так, известно, что сульфатированные гликозаминогликаны оказывают влияние на многие показатели обмена соединительной ткани.

Они способны снижать активность протеолитических ферментов, подавлять синергическое действие на межклеточный матрикс данных ферментов и кислородных радикалов, блокировать синтез медиаторов воспаления за счет маскировки антигенных детерминант и отмены хемотаксиса, предотвращать апоптоз клеток, индуцированный повреждающими факторами, а также снижать синтез липидов и с помощью этого препятствовать процессам деградации. Кроме того, эти соединения принимают непосредственное участие в построении самих коллагеновых волокон и межклеточного матрикса в целом.

На ранних этапах повреждения соединительной ткани они выступают как инициаторы создания временного матрикса и позволяют преостановить распад соединительной ткани и формирование грубого рубца, а в последствии обеспечить и более быстрое его замещение на обычную для данного органа соединительную ткань [Панасюк А.Ф. и соавт, 2000]. К сожалению, роль сульфатированных гликозаминогликанов в регуляции остеогенеза изучена недостаточно, однако, показано, что основным претендентом на роль индуктора эктопического остеогенеза в модельной системе является протеогликан, секретируемый клетками эпителием мочего пузыря [Фриденштейн А.Я., Лалыкина К.С., 1972].

Аналогичного мнения придерживаются и другие авторы , считая, что протеогликаны являются одним из факторов стромального микроокружения, регулирующим гемопоэз и другие гистогенезы производных мезенхимы. Кроме того, показано, что в условиях in vitro и in vivo хондроитин-сульфаты оказывают выраженное влияние на минерализацию кости Так, нами было выявлено, что при воздействии материала "Остеоматрикс" на культуру хондроцитов человека происходит индукция их хондрогенных свойств. Под влиянием материала хондроциты человека формировали в культуре гистотипические структуры, в которых зго за отложение фосфатов и минерализацию костного матрикса в процессе его оссификации.

Далее, было установлено, что после имплантации кроликам биоматериалов "Биоматрикс", "Алломатрикс-имплант" и "Остеоматрикс" происходит формирование эктопической кости с последующим заселением её костным мозгом. Кроме того, данные материалы были успешно применены и в качестве носителей при трансплантации стволовых стромальных клеток-предшественников [Иванов С.Ю. и соавт., 2000]. К настоящему времени эти материалы завоевали признание как в стоматологической, так и в ортопедической практике [Иванов С.Ю. и соавт., 2000, Лекишвили М.В. и соавт., 2002, Грудянов А.И. и соавт., 2003, Аснина С.А. и соавт., 2004, Васильев М. Г. и соавт., 2006]. С высокой эффективностью они были применены в случаях несовершенного остеогенеза, восстановлении кисти, при хирургическом лечении заболеваний пародонта и устранении дефектов челюстных костей. Эти биоматериалы, благодаря разработанной технологии их изготовления, являются пока единственными во всем мире материалами, у которых практически полностью сохранена коллагеновая и минеральная структуры природной кости, но при этом данные материалы полностью лишены антигенности.

Большим достоинством этих биоматериалов является и то, что они содержат костные сульфатированные гликозаминогликаны, аффинно связанные с коллагеном и гидроксиапатитом, что существенно отличает их от имеющихся в мире аналогов и значительно усиливает их остеогенные потенции. Таким образом, приведенные экспериментальные и клинические данные реально доказывают, что базируясь на современных принципах тканевой инженерии были разработаны и внедрены в клиническую практику отечественные биокомпозиционные материалы на основе костных коллагена, сульфатированных гликозаминогликанов и гидроксиапатита. Эти современные, эффективные и безопасные биоматериалы нового поколения открывают широкие перспективы к решению многих проблем восстановления костной ткани в травматологии и ортопедии, а также во многих других областях хирургической практики.

На электоннограмме (рис.1) видно, что препараты костного коллагена представляют из себя сеть упорядоченно расположенных пучков и волокон. При этом сами волокна плотно упакованы в пучки второго порядка, без разрывов и дефектов. По своему виду материал имеет классическую пористо-ячеистую структуру, которая полностью соответствует архитектонике нативной губчатой кости и свободна от сосудов, белков, механических и иных включений. Размер пор колеблется от 220 до 700 мкм.

Биосовместимость костного коллагена была оценена нами по стандартным тестам в условиях имплантации их под кожу крысам породы Вистар. С помощью гисто-морфологического анализа и сканирущей электронной микроскопии было установлено, что костный коллаген после полуторамесячного пребывания в организме рецепиента практически не подвергается разрушению и сохраняет свою структуру.

Рис 1. Рис 2.

Как видно на рис.2, поры, трабекулы и ячейки имплантированного костного коллагена частично заполняются рыхлой волокнистой СТ, волокна которой слабо спаяны с имплантатом. Хорошо видно, что вокруг него формируется незначительный фиброзный слой, а в самом имплантате отмечается присутствие небольшого количества клеточных элементов, основными из которых являются фибробласты. Характерно, что имплантат практически на всем своем протяжении не спаян с окружающей тканью дермы. Эти результаты однозначно свидетельствуют о высокой устойчивости данного материала к биораспаду и о полной биоинертности в отношении него окружающей соединительной ткани.

Исследования по влиянию биоматериалов "Биоматрикс", "Алломатрикс-имплант" и "Остеоматрикс" на остеорепарацию мы провели на модели сегментарной остеотомии по общепринятым методикам (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al.,1991). В эксперименте были использованы кролики породы Шиншилла массой 1,5-2,0 кг, которым под внутривенным наркозом делали сегментарную остеотомию лучевой кости.

Через два месяца после операции в зоне имплантации было отмечено формирование новой костной ткани. На рис. 3 результат гистоморфологического исследования материала "Алломатрикс-имплант" через 2 мес. после операции. В проксимальной зоне дефекта видна хорошо развитая молодая костная ткань. Остеобласты прилежат к костным балкам в большом числе.

В межуточном веществе обнаруживаются остециты в лакунах, В новом костном веществе формируются плотно упакованные коллагеновые волокна. Хорошо развито межуточное вещество с активными клетками. Зона имплантата (сверху и слева) активно перестраивается.

В общем, идет ускоренное созревание костной ткани вокруг зоны имплантата.

Кроме того, оказалось, что пористо-ячеистая структура костного коллагена обеспечивает не только поддержание объема в дефекте за счет своих упруго-эластических качеств, но и оптимальную возможность для врастания в него клеток соединительной ткани, развития сосудов и формирования кости при замещении этого дефекта.

После того, как была определена пригодность разлагаемого полимера для применения в костной тканевой хирургии, он должен был быть сформирован в пористый каркасный материал. Здесь необходимы два главных этапа. Во-первых, нужно разработать способ превращения полимера в объемный материал. Во-вторых, требуется способ сделать этот материал пористым.

Изготовление материала для тканевой инженерии

Правильный способ изготовления материала, или структурирования, частично зависит от химической природы полимера. Длинные, линейные, сатурированные полимеры, такие как PLGA, обыкновенно формируются в объемный материал переплетением отдельных полимерных цепей, чтобы образовать свободносвязанную полимерную сетку. Переплетение полимерной цепи часто достигается с помощью отливки полимера в форме. Таким образом, полимер расплавляется в растворителе, потом раствор заливается в форму или оболочку, впоследствии растворитель испаряется, оставляя полимер в виде объемного материала в форме оболочки. В качестве альтернативы, вливание полимера может осуществляться с помощью нагревания, давления или и того, и другого. Так, полимер помещается в форму, нагревается до своей температуры стеклования и с применением давления принимает форму оболочки. Преимущество этих способов в том, что они относительно просты. Однако, так как материал является упругим телом только из-за переплетенных полимерных цепей, в целом материалу недостает механической прочности. Этот недостаток трудно преодолеть без изменения химического строения полимера.

Еще один способ сформировать объемный материал из линейного полимера включает образование химических связей между полимерными цепями, известное как полимерное связывание. Связывание наиболее часто производится между ненасыщенными углерод-углеродными двойными связями, следовательно, эта составляющая, или другая, дающая аналогичную реакцию, должна существовать где-нибудь в полимерной цепи. Система инициации, обычно радикальная или ионная, также необходима для обеспечения связывания. Система инициации соединяется с полимером и, в ответ на импульс, такой как тепло, свет, химический ускоритель или просто время, инициатор образует продукт, распространяющий связывание. Так как эти полимеры сформированы в объемный материал с помощью ковалентного связывания, они обычно обладают значительной механической прочностью. Более того, их способность к затвердеванию в ответ на приложенный импульс позволяет вводить эти материалы в поврежденный участок, чтобы они затвердевали на месте. Важнейший недостаток связываемых материалов в том, что растущая сложность материала в условиях множества компонентов и наличия химической реакции часто ведет к проблемам с цитотоксичностью и биосовместимостью.

Также следует заметить, что отправная точка материала может не являться полимером, а может быть меньшей молекулой, такой как олигомер или мономер. С этими меньшими молекулами материал может формироваться с помощью инициации их полимеризации. Полимеризованные мономеры могут впоследствии сформировать объемный материал посредством переплетения длинных полимерных цепей в случае с бифункциональным мономером, или разветвления сеток в случае с мультифункциональными мономерами. Преимущества и недостатки, связанные с полимеризацией мономера, такие же, как с полимерным связыванием.

Методы, описанные выше, могут применяться как к гидрофобным, так и к гидрофильным полимерам. Основное преимущество гидрофобных полимеров, таких как PLA, над гидрофильными полимерами, такими как PEG, состоит в сравнительной прочности образуемого геля. Однако, гидрофобные полимеры в целом не могут использоваться для клеточной инкапсуляции, так как гель препятствует транспортировке воды, питательных веществ и отходов к клетке и из нее. Гели, образованные из гидрофобных полимеров, обычно используются в качестве каркаса, в котором клетки и ткани присоединяются к поверхности материала более чем внутри материала. Для применения в клеточной инкапсуляции особенно полезными являются гидрофильные полимеры (39, 46-51, 59-61). Эти полимеры образуют гель, который часто содержит до 90 % воды, что допускает значительную пассивную диффузию молекул в клетку и из нее. Высокое содержание воды, к сожалению, часто влечет за собой ухудшение механических свойств геля. В костной тканевой инженерии гидрогели могут использоваться в среде, не несущей нагрузок или в качестве компонента внутри каркаса, обладающего достаточно высокими механическими качествами. Выбор между гидрофильным и гидрофобным полимерами зависит, в основном, от рассматриваемой стратегии тканевой инженерии, а также от самих тканей.

Биомиметические материалы

Последние исследования сосредоточены на биомиметических материалах. Биомиметические материалы, созданные, чтобы более точно воспроизводить структуру внеклеточного матрикса, обычно являются гидрогелями, призванными особым образом взаимодействовать с определенным видом клеток таким образом, чтобы создать искусственную ткань, обладающую необходимыми свойствами. В целом, эти материалы впервые были получены путем создания материала, практически полностью предотвращающего клеточную адгезию. Далее, сигнальные молекулы, чаще всего короткие пептидные последовательности, полученные адгезией белков и участвующие в специфичной клеточной адгезии, ковалентно связываются с материалом. В результате получается материал, допускающий прикрепляться к его поверхности или проникать в его поры только особый вид клеток.

Очень важный фактор, который часто упускается из вида, это то, что первоначальный материал должен предотвращать случайную клеточную адгезию, чтобы окончательный материал обладал специфичной адгезией. Это часто достигается путем использования гидрогеля в качестве основного материала, так как считается, что гидрофильность гидрогелей предотвращает адсорбцию гидрофобных белков, необходимую для клеточной адгезии. Дополнительные факторы, определяющие успех этой стратегии, – объединение пептидной последовательности в наполнителе, более чем на поверхности материала, ограниченное расстояние, предоставленное пептидной последовательности, таким образом, становится возможно привязать ее к рецепторам поверхности клетки, и плотность пептидных последовательностей внутри материала. Наконец, дальнейшие исследования пептидных последовательностей, специфичных для адгезии отдельных клеточных популяций, необходимы для дальнейшего успеха этой методики.

Порообразование

После того, как была разработана методика превращения полимера в твердый материал, необходимо найти способ образования пористой структуры внутри материала. Самая простая методика – включение порогена в материал перед приготовлением, а после извлечь пороген. Объем, однажды заполненный порогеном, потом остается пустым, образуя поры внутри материала. Зная плотность материала и порогена, можно вычислить пористость, контролируя вес порогена относительно материала. Этот метод, известный как выщелачивание порогена, наиболее легко выполним с использованием порогена, растворимого в воде, такого как соль, сахар или крупицы желатина, который может быть извлечен замачиванием конструкции в воде. Принцип этого метода в том, что может быть собрано достаточное количество порогена, таким образом, отдельные поры соприкасаются друг с другом, образуя связанную пористую структуру внутри материала. Связанная пористость необходима не только для своевременного извлечения порогена, но и для создания каркаса для жизнеспособных тканей. Количество порогена, необходимое для соединяемости, зависит от материала и порогена, но обычно 70 % веса конструкции занимает пороген. Наконец, порогенный метод имеет то преимущество, что связанная пористость может быть достигнута простым измерением веса каркасной конструкции до и после извлечения порогена, если вес порогена, содержащегося в каркасной конструкции, равен весу, потерянному порогенным выщелачиванием, связанность достигнута.

Вторая основная методика формирования пористой структуры включает использование газа для образования пор внутри материала. Обычно газы, такие как азот или углекислый газ, вводят в состав объемного материала во время его приготовления, продувая материал газом или образуя газ как продукт химической реакции. Другой способ – образование пузырей замороженного растворителя, которые постепенно извлекаются испарением, чтобы получить пористую структуру материала. Опять же, основной принцип этого метода – объединение достаточного объема газа для формирования связанной пористой структуры.

В настоящее время разработаны более простые технологии создания каркасных структур с определенным строением. К настоящему моменту эти методы чаще всего используются для образования пористых каркасов, таких как описанный выше, для получения каркаса случайного строения. Это случайное пористое строение имеет два недостатка. Во-первых, оно сильно ухудшает механические свойства каркаса. Это ведет к необходимости создания материалов с очень высокими механическими качествами, чтобы полученный каркас мог использоваться в костной тканевой инженерии, а это ограничивает выбор применяемых материалов. Во-вторых, не менее важно то, что случайная пористость мешает серьезным исследованиям влияния каркасной структуры на образование тканей – проблема очень серьезная для костной тканевой инженерии. Ведущие методы создания каркасов с заданным строением включают в себя техники быстрого изготовления моделей, такие как трехмерное отпечатывание и стереолитография.

J.P. Fisher and A.H. Reddi, Functional Tissue Engineering of Bone: Signals and Scaffolds
Перевод Борисовой Марины

1. Введение

1.1 Предварительные сведения

1.2 Добыча клеток

2. Строительные леса

2.1 Материалы для строительных лесов

2.2 Углеродные нанотрубки

2.2.1 История открытия

2.2.2 Структура нанотрубки

2.2.3 Одностенные нанотрубки

2.2.4 Многостенные нанотрубки

2.2.5 Получение углеродных нанотрубок

3. Список литературы

1. Введение

Ткани требуют определенных механических и структурных свойств для правильного функционирования. Термин «тканевая инженерия» также относится к коррекции выполнения конкретных биохимических функций с использованием клеток в искусственно созданной системе поддержки (например, искусственная поджелудочная железа, или искусственная печень). Термин «регенеративная медицина» часто используется как синоним тканевой инженерии, хотя в регенеративной медицине уделяется больше внимания использованию стволовых клеток для производства тканей.

клетка нанотрубка тканевый инженерия

1.1 Предварительные сведения

1.2 Добыча клеток

Клетки могут быть получены из жидких тканей, такие как кровь, множеством способов, как правило, это центрифугирование?. Из твердых тканей клетки добывать труднее. Обычно ткань превращают в фарш, а затем переваривают с ферментами трипсина или коллагеназа для удаления внеклеточного матрикса, который содержит клетки. После этого клетки пускают в свободное плавание, и извлекают их как из жидких тканей. Скорость реакции с трипсином очень сильно зависит от температуры, а большие температуры наносят большой ущерб клеткам. Для коллагеназа нужны небольшие температуры, и, следовательно, здесь меньше потерь клеток, но реакция при этом занимает больше времени, а сам коллагеназ является дорогим реагентом.

2. Строительные леса

Клетки часто имплантируют в искусственные структуры, способные поддержать образование трехмерной ткани. Эти структуры называют строительными лесами.

2.1 Материалы для строительных лесов

Чтобы разработать строительные леса с идеальными свойствами (биосовместимость, не иммуногенность, прозрачность, и т.д.), для них были спроектированы новые материалы.

2.2 Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки -- это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

2.2.1 История открытия

Как известно, фуллерен (C 60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. Существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974 -- 1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 нм, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование "пустотелых углеродных дендритов", при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

2.2.2 Структура нанотрубки

Размещено на http://www.сайт/

Свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.

Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла б между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид:

где d 0 = 0,142 нм -- расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости.

Связь между индексами хиральности (m, n) и углом б даётся соотношением

Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (n, m) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы б = 0 (armchair конфигурация) и б = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (n, 0) и (2m, m) соответственно.

2.2.3 Одностенные нанотрубки

Структура одностенных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так называемые armchair-нанотрубки или нанотрубки с хиральностью (10, 10). В нанотрубках такого типа две из С-С связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической структурой.

2.2.4 Многостенные нанотрубки

Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.

Структура типа «русской матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндрических трубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур напоминает свиток (scroll). Для всех структур характерно значение расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита.

2.2.5 Получение углеродных нанотрубок

Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры. Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) первым идентифицировал эти структуры, как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относятся электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм. Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемпературном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская и Швейцарская группа. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. При этом существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в свое время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучем лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени.

Т.о. группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, "значительно упростив" технологию их синтеза. Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта позволило увеличить выход УНТ до 70-90%. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом - методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качестве катализатора использовались частицы металла группы железа. Один из варианов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD методом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур. Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла.

При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное "выделение" избыточного углерода в виде искаженной полуфулереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава, увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С-С представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку. Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от ее радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа "бамбук" или вложенные наноконусы. Полученные материалы только состоят из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.

3. Список литературы

Лангер, Ваканти JP (май 1993). "Тканевая инженерия". Наука 260 (5110): 920 6. DOI: 10.1126/science.8493529. PMID 8493529.

Б Макартур BD, Oreffo RO (январь 2005 г.). "Преодоление разрыва". Природа 433 (7021): 19. DOI: 10.1038/433019a. PMID 15635390.

Подобные документы

Понятие и сущность биотехнологии, история ее возникновения. Основные направления и методы биотехнологии. Генная и клеточная инженерия. "Три волны" в создании генно-модифицированных растений. Трансгенные животные. Методы иммобилизации ферментов и клеток.

реферат , добавлен 11.01.2013

Клеточная инженерия как совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток, история ее развития. Методы выделения протопластов. Описание способов культивирования протопластов: метод жидких капель и платирования. Соматическая гибридизация.

презентация , добавлен 28.02.2014

Использование клеток, не существовавших в живой природе, в биотехнологических процессах. Выделение генов из клеток, манипуляции с ними, введение в другие организмы в основе задач генной инженерии. История генной инженерии. Проблемы продуктов с ГМО.

презентация , добавлен 21.02.2014

Искусственный фотосинтез как новый источник энергии. Искусственный фотосинтез в суперкомпьютере. Улучшение фотосинтеза нанотехнологиями. Обеспечение сверхурожая с помощью ускорения процесса фотосинтеза. Внедрение углеродных нанотрубок в хлоропласты.

презентация , добавлен 11.11.2014

Химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, функции клеток в организме животных и растений, размножение и развитие клеток, приспособления клеток к условиям окружающей среды. Положения клеточной теории по М. Шлейдену и Т. Шванну.

презентация , добавлен 17.12.2013

Промышленное использование биологических процессов на основе микроорганизмов, культуры клеток, тканей и их частей. История возникновения и этапы становления биотехнологии. Основные направления, задачи и методы: клонирование, генная и клеточная инженерия.

презентация , добавлен 22.10.2016

Возникновение молекулярной биотехнологии. История проблемы биологического кода. Политика в области генной терапии соматических клеток. Накопление дефектных генов в будущих поколениях. Генная терапия клеток зародышевой линии. Генетика и проблема человека.

реферат , добавлен 25.09.2014

Методы культивирования соматических клеток человека и животных на искусственных питательных средах как предпосылка к развитию клеточной инженерии. Этапы соматической гибридизации. Перенос генетического материала. Происхождение трансгенных растений.

реферат , добавлен 23.01.2010

Основные методы биотехнологии. Размножение организмов с интересующими человека свойствами с помощью метода культуры клеток. Особенности применения методов генной инженерии. Перспективы метода клонирования. Технические трудности применения методов.

презентация , добавлен 04.12.2013

Основные функции бокаловидных клеток как клеток эпителия слизистой оболочки кишечника и других органов позвоночных животных и человека. Форма клеток и особенности их локализации. Секрет бокаловидных клеток. Участие бокаловидных клеток в секреции слизи.

Разделы