Биоматериалы – металлы и неметаллы, сплавы

В частности материалы на основе коллагена в форме губки часто используются как трехмерные нерастворимые основы для подготовки искусственной кожи. Коллаген, волокнистый нерастворимый белок, главный элемент кожи, костей и соединительной ткани. При контролируемом гидролизе коллагена получают желатин. Будучи белком, желатин составлен из уникальной последовательности аминокислот. Характерные особенности желатина - высокое содержание аминокислот типа глицина, пролина и гидроксипролина. Структура молекулы желатина: она содержит повторившиеся последовательности троек глицин-X-Y, где X и Y - часто пролин и гидроксипролин. Эти последовательности ответственны за тройную винтовую структуру желатина и его способности формировать гели. (рис.5)

Рис.5 Структура желатина, R- тройка глицин-X-Y, обычно X и Y- пролин и гидрокипролин

 

Денатурированный коллаген (желатин) используется в медицине как повязка на рану, впитывающий материал для хирургических целей. Известно, что коллаген проявляет свойства антигенности в физиологическом условиях; желатин, как известно, такими качествами не обладает. Было показано, что желатин способен вызывать активацию макрофагов (клеток способных к активному захвату и перевариванию бактерий) и показывает высокий кровоостанавливающий эффект. Наконец, желатин фактически более удобен чем коллаген, потому что трудно приготовить концентрированный раствор коллагена, и, кроме того, желатин намного более экономичен чем коллаген.

Биодеградируемые полимеры, используемые в настоящее время, включают в себя полигликолиды, полилактиды и их сополимеры, коллаген, хитин, желатин. Желатин должен быть сшит. В качестве сшивающих агентов могут быть использованы следующие вещества: формальдегид, глютаральдегид, растворимые в воде карбоимиды. Токсичность сшивающего агента - одна из основных проблем при создании искусственных биоматериалов. Например, глютаральдегид (известный сшивающий реагент) ядовит даже при концентрации 3.0 ppm.

В данное время в медицине применяются желатин-альгинатные губки. Альгинат, полученный из коричневых морских морских водорослей - анионный линейный полисахарид. Альгинат обладает свойствами гидрофильньности, биологической совместимости, также он относительно экономичен. Он используется в медицине в качестве повязки на рану, а также используется для разработки ткани в формах губок, которые обычно обязаны исчезать («всасываться в тело») после регенерации ткани. Ожидается, что смешанные губки (желатин- альгинат), покажут эффектную активацию макрофага и быстрое увеличения клеток эпителия, а также будут экономически выполнимы.

Такие губки готовят путем смешивания растворов желатина и альгината. Полученный раствор выливают в чашку Петри, заливают жидким азотом и подвергают сублимационной сушке. Полученные пористые губки приведены на рисунке 6.

Рис.6 Поверхность(а) и поперечное сечение (с) приготовленной губки

 

Морфологические исследования сканирующей электронной микроскопии показали связанную структуру пор со средним размером поры приблизительно 0,1 мм. Этот размер поры облегчил клеточное проникновение в поры.

Полученные губки пропитывают растворами антибиотиков. Губки были опробованы на крысах. Спинные волосы у крыс выбривались, вводились обездоливающие препараты, и на коже спины делался надрез. Полученная рана покрывалась губкой, губкой с антибиотиками, либо марлей с вазелином. По прошествии 5, 12 и 21 дней крыс убивали, кожа в области раны была гистологически исследована. Данные опыта показали, длина восстановленного эпителия на 5 день была больше в случае губки с антибиотиками. Говорят о эффекте прологированного действия препарата, антибиотик выводится из губки постепенно за счет «тормозящего» взаимодействия функциональных групп. На 21 день участок раны кожи крысы был почти полностью излечен.

Помимо искусственно создаваемых материалов также применяется биологические, например, свиная кожа.

 

9.Тканевая инженерия тонкой кишки

 

Синдром короткой кишки (СКК) - заболевание, возникающее при резекции большей части тонкой кишки при ее некрозе в результате ишемии (тромбоз мезентериальных сосудов, некротический язвенных колит), пороках развития, опухолевом поражении (тотальный полипоз кишечника), травмах и аутоиммуных заболеваниях (неспецифический язвенный колит, болезнь Крона). Заболевание сопровождается синдромом неполного всасывания (мальабсорбции), дефицитом поступления в организм основных питательных веществ и минералов. Критической длинной сохранившегося кишечника принято считать от 0,5 до 2 метров. Однако даже потеря более половины его длины приводит к тем или иным серьезным осложнениям (диарея, полифекалия, боли в животе, метеоризм, потеря массы тела, гипопротеинемия, отеки, судороги, остеопороз и др.). Основная часть пациентов хорошо поддается консервативной терапии (диета, пищевые комплексы). Пациенты, страдающие тяжелой формой недуга вынуждены пожизненно получать специальные питательные смеси и растворы парентерального питания. В результате чего они испытывают выраженный дискомфорт, социальную дезадаптацию, что даже может привести к суицидальным попыткам. Помочь людям, страдающим СКК в настоящее время можно только путем удлинения функциональной ее части. В клинической практике применяют суживающую энтеропластику, антиперистальтическую аутотрансплантацию или трансплантацию кишечного сегмента. Все эти операции направлены на увеличение всасывающей поверхности кишки. Со стороны самой кишки происходят адаптивные изменения,

направленные на увеличение площади поверхности соприкосновения с пищевым комком. Крипты становятся более ветвистыми и увеличиваются в размере, что увеличивает поверхность всасывания. Однако это не приводит к полной компенсации, и заболевание прогрессирует за счет хронического дефицита питательных веществ.

Исследования по разработке технологий, с помощью которых можно было бы получить функционирующую кишку, берут свое начало с работ Когана (1979). Исследовалась возможность использования синтетических трубчатых конструкций для восполнения длины тонкой кишки. Для изготовления трубок использовался синтетический материал "Дакрон". Под данной торговой маркой представлены волокна полиэстера, которые получают по реакции конденсации этиленгликоля и терефталевой кислоты. Данный материал характеризуется значительной прочностью на растяжение, не ползет как в сухой, так и мокрой средах, устойчив к химическим воздействиям.

Трубки из дакрона имплантировались кроликам после поперечного рассечения кишки. Было отмечено, что синтетические материалы действовали как мосты, по которым с краев интактной кишки происходила эпителизация и колонизация фибробластами. Последние дифференцировались в миофибробласты и формировали мышечную стенку. Сосудистая сеть развивалась из аркад тощекишечных сосудов и брюшины. Однако основным недостатком подобных конструкций оказалась их ригидность, отсутствие перистальтики и рубцевание, что приводило к стенозам и кишечной непроходимости у лабораторных животных .

Понимание того, что матрица-носитель должна быть деградируемой, привело к использованию в эксперименте материалов на основе полимеров органических кислот (полигликолат, полилактат) и естественных биоматериалов на основе коллагена, которые, после выполнения своей функции, элиминировались в организме. Внимание ученых было обращено на подслизистую основу кишки, которая, кроме того, что является естественным кишечным образованием, обладает ещё и достаточной плотностью и прочностью. Подслизистая основа тонкой кишки содержит оптимальное сочетание белков адгезии, таких как ламинин, интегрин и коллаген I, III, IV, V типов, а так же ростовые факторы (FGF-2, VEGF) и другие, биологически активные вещества, поддерживающие пролиферацию и дифференцировку клеток. В качестве тестирования этого материала использовалась методика «заплаты». Вместо участка резецированной стенки кишки накладывалась «заплата» (12 кв.см.) из бесклеточной подслизистой основы и окутывалась сальником или брюшиной. Через 2 недели отмечалась активная миграция в биоматериал фибробластов и образование сосудистой сети внутри матрицы. К 4 неделе происходила эпителизация «заплаты» за счет разрастания эпителия с неизмененных участков кишечной стенки и формирование примитивного мышечного слоя. К 6 неделям происходила полная эпителизация кишечной стенки и частичная деградация биоматериала. На 12 неделе можно было обнаружить небольшой толщины мышечный слой по всей поверхности «заплаты», а 24 неделям происходила полная регенерация кишечной стенки (Рис. 7).

Рис 7.«Заплата» из бесклеточной подслизистой основы тонкой кишки через 3 месяца после имплантации.

Разница между участком имплантации и неизмененной слизистой определяется с трудом. (заимствовано из

Chen MK, et al. J Surg Res 2001; 99: 352-358, с изменениями)

 

Попытки использования бесклеточной подслизистой основы кишки в виде трубчатых конструкций не привели к такими же хорошим результатам, как при использовании методики наложения "заплаты". Только к 6-й неделе происходила 40% эпителизация конструкции. Медленная регенерация эпителия за счет области анастомозов интактной кишки приводила к её истощению и разрастанию преимущественно соединительной ткани, что приводило к образованию стенозов. Потеря герметичности конструкции происходила в результате лизиса участков матрицы, не защищенной от пищеварительных ферментов эпителиальной выстилкой (рис. 8).

Рис.8 Кишечная ставка из бесклеточной подслизитой основы тонкой кишки через 8 недель после имплантации. Определяется резкое различие между интактной кишкой и вставкой. (заимствовано из Wang ZQ, et al. J Pediatr Surg 2003; 38: 1596-1601, с изменениями)

 

В 1998 году исследовательской группой во главе с Джозефом П. Ваканти (Joseph P. Vacanti) была создана первая модель тканеинженерной тонкой кишки, в состав которой в качестве основы входила биодеградируемая матрица из PGA (сополимера молочной кислоты и лизина) и кишечный эпителий. Кишечный эпителий обладает самой высокой потенцией к

регенерации и содержит кроме главных эпителиальных клеток еще и большое количество регионарных стволовых - базальных клеток. Базальные эпителиальные клетки могут быть получены из слизистой и успешно культивированы in vitro, что и было выполнено группой Ваканти. У 7 дневных крыс-доноров забрали образцы кишечного эпителия и культивировали до достижения достаточного количества клеточной массы. Трубчатое образование - матрица, была создана из нетканого материала на основе PGA. Эпителиальные клетки были нанесены на биоматрицу и внедрены в сальник крыс-реципиентов. Через 10 недель, в сальнике, было обнаружено кистозное образование, стенку которого составлял мышечный слой и кишечный эпителий, образовавший примитивные складки и ворсинки. Формирование мышечного слоя авторы связывают с дифференцировкой фибробластоподобных клеток входящих в состав жировой ткани сальника. Кисту анастомозировали с тонкой кишкой и она функционировала на протяжении жизни животного. В результате эксперимента была показана возможность получения полноценного кишечного сегмента методом тканевой инженерии (Рис. 9).

 

nt 3 tiinnllis

Рис.9 Участок артифициальной кишки после анастомозирования с тонкой кишкой. (заимствовано из Kim SS, et al. J Surg Res 1999; 87: 6-13, с изменениями)

 

В дальнейшем, исследования были направлены на оценку функции артифициального кишечного сегмента. Так, было показано отсутствие формирования нервных окончаний и межмышечных ганглиев кишки, что, по всей видимости, не будет способствовать активной перистальтике. Неогенез лимфатических сосудов наблюдали уже через 10 недель. Кроме того, было отмечено появление лимфоидной ткани в виде фолликулов. При моделировании СКК у крыс, с последующим подключением к пищеварению созданной в сальнике артифициальной кишки, наблюдалось увеличение массы животных по сравнению с контролем, а так же повышение концентрации в крови витамина B12. Также было отмечено увеличение продолжительности жизни животных, что в совокупности свидетельствует об участии вновь созданного кишечного сегмента в пищеварении и всасывании питательных веществ.

Однако, отсутствие нервной ткани в толще мышечной стенки может привести к низкой перистальтической активности сегмента и замедлении продвижения пищевого комка, что благоприятно для всасывания, но может вызвать явления непроходимости. Несмотря на имеющиеся недостатки, созданный с помощью технологий тканевой инженерии сегмент тонкой

кишки продлевает жизнь и значительно улучшает её качество у лабораторных животных с моделью СКК. Известно, что даже незначительные по размерам отрезки функционирующей поверхности слизистой кишки играют огромную роль в улучшение состояния организма при этой патологии.

 

10.Биоматериалы для хирургии – нити

 

Выбор шовного материала для использования в каждом отдельном случае производится в соответствии с состоянием пациента, опытом хирурга, техникой операции и размерами раны. Основными критериями выбора материала являются его механические характеристики, способность к резорбции, биосовместимость(тканевая реакция). Нити, применяемые в хирургии можно классифицировать по их происхождению(природные, синтетические), по способности к рассасыванию и области применения.

Начнем рассмотрение с синтетических нитей. В основном, в их состав входят полиэстер, полигликоли, полиамиды, тефлон, полипропилен и другие полимеры. В кардиохирургии и ортопедии также используют нити из хирургической стали (сплав с Сг, Ni). Стальная проволока может применяться в комбинации с различными компонентами, изготовленными из разнообразных материалов, обеспечивающими возможность ее применения в качестве поддерживающего материала либо для наложения сухожильных швов. Стальная проволока обусловливает минимальную воспалительную реакцию окружающих тканей.

Плетеные нити из волокон полиэстера (полиэтилентерефталата, (С16Н8О4)П )не имеют противопоказаний и являются нерезорбирующимся хирургическим шовным материалом. Полиэстер обусловливает вначале лишь небольшую воспалительную реакцию со стороны окружающих тканей, за которой следует постепенное, медленное формирование соединительной капсулы. Полиэстер можно применять во всех областях оперативной хирургии. Для получения гладкого шовного материала, нити из полиэстера покрывают тефлоном(Суполен). Благодаря покрытию снижается до минимума капиллярное действие нити и облегчается как протягивание нити сквозь ткани, так и вязание узлов. Ввиду его гидрофобных свойств и устойчивости к старению Суполен пригоден для вшивания имплантатов и протезов.