.jpg)
О разработках биоразлагаемых имплантов для костной инженерии рассказывает аспирант Лаборатории «Полимерные материалы для тканевой инженерии и трансплантологии» Института биомедицинских систем и биотехнологий (ИБСиБ) СПбПУ Нурджемал Тагандурдыева.
- Чем обусловлена необходимость разработки новых материалов для краниопластики (разновидность пластики головы, которая проводится для исправления дефекта кости черепа. – Примеч. Ред.) и восстановления нервных тканей?
- Ежегодно в мире проводится более миллиона операций по восстановлению функций костей, и, несмотря на разнообразие имплантатов для костной пластики, проблемы выбора материала остаются до конца не решенными.
Наиболее актуальным является вопрос создания биоразлагаемых имплантатов для костной инженерии, так как существующие костные имплантаты, в частности для краниопластики, не удовлетворяют всем требованиям и имеют ряд недостатков: наличие иммунологического барьера и дефицита пластического материала ограничивают применение аллотрансплантатов, высокий модуль упругости по сравнению с костью, необходимость проведения повторной операции, а также невозможность применения современных диагностических методов исследования (рентген, компьютерная томография, ЯМР) усложняют применение имплантатов на основе металлов и их сплавов, недостаточные механические свойства, несмотря на биорезорбируемость, ограничивают применение полимерных имплантатов.
Особенно остро проблема материалов для костной пластики стоит в детской краниопластике. Из-за того, что организм ребенка растет, использование широко распространенных нерезорбируемых костных имплантатов невозможно. Чаще всего в краниопластике применяют аллотрансплантаты, основную часть которых получают из хрящевой и/или костной ткани человека и животных, а также компонентов кожи, сухожилий, мозговой оболочки. Однако такие материалы должны быть подготовлены непосредственно перед трансплантацией, что доступно только крупным специализированным медицинским центрам, наличие иммунологического барьера и дефицита пластического материала делают применение этой технологии весьма ограниченной.
В связи с этим разработка биорезорбируемых композиционных материалов с высокими физико-механическими характеристиками, прогнозируемыми и регулируемыми сроками резорбции является актуальной задачей на сегодняшний день.
Восстановление периферических нервных волокон с последующим восстановлением сенсорной и/или моторной функции сегмента организма остается нерешенной проблемой, так как функциональное восстановление никогда полностью не достигает предтравматического уровня: чувствительность восстанавливается до прежнего уровня только у 3% пациентов, в то время как двигательная функция восстанавливается у менее 25%.
Поврежденные периферические нервы восстанавливают с помощью хирургического вмешательства, а именно наложением анастомоза без применения имплантатов или трансплантатов при травмировании отрезка нерва размером не более трех сантиметров, однако при повреждении нерва размером более трех сантиметров прямое наложение швов без натяжения, отрицательно влияющего на регенерацию нерва, невозможно, поэтому в таких случаях применяются трансплантаты различного происхождения, а также имплантаты в виде направляющих трубчатых кондуитов, поддерживающих процесс регенерации.
Чаще всего восстановление периферического нерва проводят методом аутотрансплантации, считающимся «золотым стандартом», поскольку источником материала является собственный организм. Аутотрансплантат является иммуноген-инертным каркасом, обеспечивающим регенерирующий нерв жизнеспособными шванновскими клетками и соответствующими нейротрофическими факторами. Однако этот метод обладает множеством ограничений, связанных с необходимостью многократных операций, несоразмерностью трансплантата и нервной ткани по размеру и структуре, инвазией рубцовой ткани, отсутствием донорского материала, неадекватным восстановлением функции и аберрантной регенерацией.
Многих перечисленных недостатков лишены нервные кондуиты на основе природных и синтетических биорезорбируемых полимеров. Подобные направляющие трубчатые имплантаты предотвращают инвазию рубцовой ткани и позволяют локально высвобождать нейротрофические факторы для стимуляции регенерации нервов. Несмотря на разработку и использование самых разнообразных материалов для восстановления поврежденных периферических нервов, лишь немногие из них позволяют восстанавливать дефект нерва более трех сантиметров. Поэтому разработки нервных имплантатов продолжаются и по сей день с учетом результатов современных исследований и технологий их получения.
- На каких принципах строится их разработка?
- Основным материалом для изготовления имплантатов являются титан и его сплавы, при этом появляются ограничения при применении современных методов диагностики (рентген, КТ, ЯМР) и наблюдается явление stress shielding (эффект защиты от нагрузок), возникающее из-за значительного различия в модуле упругости кости и металла (Eкости = 6-20 ГПа и Eметалла = 100-200 ГПа). Защищенная от нагрузки кость регенерирует не полностью или может реконструироваться в соответствии с законом Вольфа, который гласит, что кость адаптируется к подвергаемым нагрузкам, поэтому экранированная область больше подвержена повторному разрушению при удалении имплантата.
Использование полимеров, полимер-металлических систем и полимерных композиционных материалов приводит к снижению жесткости имплантатов и, соответственно, эффекта stress shielding, но остается необходимость проведения повторной операции после восстановления кости. Для исключения этого недостатка используют биорезорбируемые полимеры, такие как полилактид, полигликолид, поли-ε-капролактон и их сополимеры, однако они не обладают достаточной прочностью либо теряют прочность значительно раньше образования новой костной ткани, поэтому при больших дефектах требуют дополнительной фиксации титановой сеткой.
Поэтому мои исследования направлены на разработку биорезорбируемых композиционных материалов на основе полилактида, полигликолида, поли-ε-капролактона и их сополимеров, армированных хитозановыми волокнами, то есть в итоге получаем материал резорбируемый, но прочнее в сравнении с «чистыми» полимерами за счет введения наполнителя. Важно отметить, что наполнитель волокнистый (далее поясню почему).
Свойства полимеров наиболее полно реализуются в ориентированном состоянии – в одномерном (волокно) или двумерном (пленка). Ориентация макромолекул приводит к существенному повышению прочностных и упругих характеристик материала, делает возможным его использование в качестве армирующих элементов в высокопрочных композиционных материалах. Именно волокнистый наполнитель обеспечивает необходимые физико-механические характеристики композита, при этом может обладать широким спектром биологических свойств.
Следует отметить, что важным фактором, влияющим не только на прочностные и деформационные свойства композита, но и на скорость его резорбции, является химическое и надмолекулярное строение наполнителя, а также его вид и количество. Химическое строение материала матрицы, а также ее надмолекулярная и макроструктура (рельеф поверхности, пористость, дзета-потенциал поверхности) должны обеспечивать протекание клеточных процессов (адгезию, пролиферацию и дифференцировку клеток) как на поверхности матрицы, так и в ее объеме.
Имплантаты на основе биорезорбируемых композиционных материалов с механическими свойствами, соответствующими свойствам костной ткани и дополненными остеогенным потенциалом, будут иметь преимущества по сравнению с традиционными металлическими устройствами и будут востребованы как в костной инженерии, в том числе и краниопластике, так и в других областях медицины, требующих применения имплантатов с повышенными механическими свойствами.
Невозможность применения полых направляющих нервных каналов, кондуитов, при утрате нерва более трех сантиметров обусловлена тем, что нативные шванновские клетки, продвигающиеся до регенерирующих аксонов, не обеспечивают достаточно благоприятную среду для роста аксонов, а дезорганизация аксонов от конуса роста продолжает увеличиваться по мере роста, то есть чем больше дефект, тем больше дезорганизация. Поэтому активно ведется поиск модификаторов – наполнителей, направляющих регенерируемые аксоны и ускоряющих процесс регенерации. И целью моей работы является получение направляющих трубчатых кондуитов, модифицированных наполнителями или различными видами наполнителей, ориентированных вдоль направления роста аксонов для замещения дефектов нерва размером более трех сантиметров.
Все виды исследованных наполнителей можно разделить на биохимические и физические. Биохимические включают в себя шванновские клетки, нервные стволовые клетки, мезенхимальные стволовые клетки, эмбриональные стволовые клетки, факторы роста, нейротрофические факторы, клетки, нуклеиновые кислоты и молекулы внеклеточного матрикса, такие как коллаген, ламинин и фибронектин и другие. В качестве физических наполнителей используют микрофиламенты, микроволокна, нити, многоканальные структуры, которые вводятся непосредственно в просвет канала.
Рассмотрим подробнее физические наполнители. Наполнители вводят в состав кондуита для формирования внутреннего матрикса, имитирующего эндоневрально-подобную субструктуру. При небольших дефектах имеет место естественная регенерация, однако при больших дефектах нервным волокнам трудно пересечь большой нервный промежуток без внешней поддержки. Для усиления ориентированной регенерации в кондуит вводят наполнители на основе биоматериалов различных форм (волокна, нити, гели или губки), которые способствуют адгезии, пролиферации и миграции шванновских клеток и регенерации аксонов.
Можно привести примеры резорбируемых кондуитов, наполненных резорбируемыми наполнителями на основе как природных, так и синтетических полимеров в виде волокон, нитей, гелей, трубок. Кондуит может быть наполнен и несколькими видами наполнителей с использованием достоинств каждого. Например, наполнение кондуита гелем позволяет имитировать внеклеточный матрикс, так как из-за недостаточного количества стимулирующих регенерацию клеток и отсутствия внеклеточного матрикса в канале полого кондуита трудно достичь той же степени регенерации аксонов, что и при применении аутотрансплантатов. Гели чаще всего получают на основе коллагена, желатина, ламинина, гиалуроновой кислоты, фибрина и различных природных полимеров благодаря их биосовместимости и биоразлагаемости, доступности. А преимущество введения в просвет волокнистых наполнителей состоит в том, что сочетание пористости, большой площади поверхности и топографических сигналов составляет идеальную среду для адгезии и роста клеток, усиливает образование миелинизированных аксонов и способствует восстановлению сенсорной функции благодаря увеличению количества белков на поверхности.
С развитием 3D-биопечати стало возможно получение кондуитов с ориентированными гидрогелевыми наполнителями. Для получения композитного трубчатого кондуита предварительно формируется сама подложка методом электроформования, в результате кондуиты обладают нанопористой структурой с достаточной для регенерации нервов проницаемостью, после чего на полученном нетканом материале методом 3D-биопечати получают ориентированные в одном направлении гидрогелевые структуры.
- Какие перспективные исследования и разработки по этой теме есть у ученых Политеха и их партнеров?
- Хочется выделить разработку способа получения волокнистых ориентированных материалов на основе хитозана по коагуляционному (мокрому) способу формования. Подобные волокна получены на базе Института высокомолекулярных соединений Российской академии наук (ИВС РАН). На лабораторной установке (в ИВС РАН) получены образцы моно- и комплексных нитей из хитозана. Показано влияние технологических параметров формования на структуру и механические свойства готовых нитей. Изучена структура и механические свойства волокон из хитозана.
Совместно с учеными из ИВС РАН ученые Политеха исследовали возможность повышения механических характеристик волокон путем их модификации различными наполнителями. Также проведены предварительные исследования резорбции in vivo волокон на основе хитозана, выполнены исследования по формованию по расплавному методу монофиламентых волокон из полилактида различных фирм-производителей.
- Каких результатов ученые надеются добиться в обозримом будущем, какие проблемы решить в этой области?
- Одной из основных задач регенеративной медицины является разработка тканеинженерных препаратов, состоящих из матрицы на основе органических или неорганических материалов и стволовых, или соматических, клеток. Наиболее актуальным является вопрос создания биоразлагаемых имплантатов для костной инженерии, так как существующие костные имплантаты, в частности для краниопластики, не удовлетворяют всем требованиям.
Как я уже говорила, особенно остро проблема материалов для краниопластики существует в реконструктивной хирургии черепа у детей. Из-за того, что организм ребенка растет, использование нерезорбируемых материалов, таких как титан и его сплавы, а также нерезорбируемых полимеров требует повторных хирургических вмешательств. Поэтому применение методов тканевой инженерии в педиатрии, в частности в краниопластике, позволит исключить повторные хирургические вмешательства, существенно снизить риск послеоперационных осложнений, что свидетельствует об актуальности поставленной в работе задачи.
Использование биосовместимых материалов также позволит избежать аллергических и канцерогенных воздействий на окружающие ткани, как самих материалов, так и продуктов их биорезорбции. Разработанные биокомпозиты будут полностью совместимы с такими диагностическими методами, как рентген, компьютерная томография, ЯМР и другие, что позволит использовать современные методы контроля процесса реконструкции ткани.
Использование различных биологически активных наполнителей позволит композиту проявлять остеоиндуктивность (способность активно побуждать остеобласты к формированию костного матрикса и мезенхимальных клеток к дифференцировке в остеогенные клетки), а топография поверхности будет способствовать остеокондуктивности – врастанию клеток и сосудов в структуры имплантата.
Последние 25 лет наблюдается активное развитие микрохирургических методов лечения, а также понимание патофизиологии поврежденной периферической нервной системы и процесса ее регенерации. Но, несмотря на это, восстановление периферических нервных волокон с последующим восстановлением сенсорной и/или моторной функции сегмента организма остается, как уже было сказано, нерешенной проблемой. Несмотря на разработку и использование самых разнообразных материалов для восстановления поврежденных периферических нервов, лишь немногие превосходят аутотрансплантат и многие из них не позволяют восстанавливать дефект нерва более трех сантиметров, что обусловлено увеличением по мере роста дезорганизации аксонов. Во избежание подобного явления активно ведется поиск модификаторов – наполнителей, направляющих регенерируемые аксоны и ускоряющих процесс регенерации, то есть разработки нервных имплантатов продолжаются и по сей день с учетом результатов современных исследований и технологий их получения.
Хочется отметить, что в последнее время в мировой науке наблюдается резкое увеличение количества исследований различных кондуитов для восстановления периферических нервов в cвязи с применением метода 3D-биопечати.
