Vævsteknik på nanostrukturerede matricer. Vævsteknologi - et vindue til moderne medicin Moderne muligheder for vævsteknologi

Vævsteknik blev engang klassificeret som en undersektion af biologiske materialer, men efterhånden som den er vokset i omfang og betydning, kan den ses som en undersektion i sig selv. Stoffer kræver visse mekaniske og strukturelle egenskaber for at fungere korrekt. Udtrykket "vævsteknik" refererer også til korrektionen af ​​udførelsen af ​​specifikke biokemiske funktioner ved hjælp af celler i et kunstigt skabt støttesystem (for eksempel en kunstig bugspytkirtel eller en kunstig lever). Udtrykket "regenerativ medicin" bruges ofte som et synonym for vævsteknologi, selvom der i regenerativ medicin er mere vægt på brugen af ​​stamceller til at producere væv.

Typisk ses vævsteknologi, som anført af Langer og Vacanti, som "et tværfagligt felt, hvor principperne for ingeniørvidenskab og biologi anvendes til at udvikle biologiske erstatninger, som er restaurering, bevarelse eller forbedring af funktionen af ​​væv eller en hel organ." Vævsteknologi er også blevet defineret som "forståelsen af ​​principperne for vævsvækst og deres anvendelse til produktion af funktionelle vævserstatninger til klinisk brug". En mere detaljeret beskrivelse siger, at "Den grundlæggende antagelse af vævsteknologi er, at brugen af ​​naturlige biologiske systemer vil tillade større succes i udviklingen af ​​terapeutiske metoder rettet mod at erstatte, reparere, vedligeholde og/eller udvide vævets funktion."

Celler kan opnås fra flydende væv, såsom blod, på en række forskellige måder, typisk ved centrifugering. Det er sværere at udvinde celler fra fast væv. Typisk er vævet hakket og derefter fordøjet med trypsin eller collagenase-enzymer for at fjerne den ekstracellulære matrix, der indeholder cellerne. Derefter får cellerne lov til at flyde frit, og de fjernes som fra flydende væv. Reaktionshastigheden med trypsin er meget temperaturafhængig, og høje temperaturer forårsager stor skade på celler. Kollagenase kræver lave temperaturer og derfor mindre celletab, men reaktionen tager længere tid, og selve kollagenase er et dyrt reagens. Celler implanteres ofte i kunstige strukturer, der er i stand til at understøtte dannelsen af ​​tredimensionelt væv. Disse strukturer kaldes stilladser.

For at nå målet om vævsrekonstruktion skal stilladser opfylde nogle specifikke krav. Høj porøsitet og defineret porestørrelse, som er afgørende for at fremme cellesåning og diffusion i hele strukturen, både celler og næringsstoffer. Biologisk nedbrydelighed er ofte en væsentlig faktor, da stilladser absorberes i omgivende væv uden behov for kirurgisk fjernelse. Den hastighed, hvormed nedbrydningen sker, bør matche så tæt som muligt med hastigheden af ​​vævsdannelse: dette betyder, at mens de fremstillede celler vil skabe deres egen naturlige matrixstruktur omkring dem, er de allerede i stand til at opretholde strukturel integritet i kroppen, og i sidste ende til sidst vil stilladset blive knækket, hvilket efterlader et nydannet væv, der vil påtage sig den mekaniske belastning.

En række forskellige stilladsmaterialer (naturlige og syntetiske, biologisk nedbrydelige og permanente) er blevet undersøgt. De fleste af disse materialer var kendt inden for det medicinske område, allerede før vævsteknologi som et forskningsemne, og blev allerede brugt til f.eks. suturkirurgi. For at udvikle stilladser med ideelle egenskaber (biokompatibilitet, ikke-immunogenicitet, gennemsigtighed osv.), er der designet nye materialer til dem.

Stilladser kan også bygges af naturlige materialer: Især forskellige ekstracellulære matrixderivater og deres evne til at understøtte cellevækst er blevet undersøgt. Proteinmaterialer såsom kollagen eller fibrin og polysaccharider såsom chitosan eller glycosaminoglycan (GAG) er velegnede med hensyn til kompatibilitet, men nogle spørgsmål er stadig åbne. Funktionelle grupper af stilladser kan være nyttige ved levering af små molekyler (lægemidler) til specifikke væv.

kulstof nanorør

Carbon nanorør er forlængede cylindriske strukturer med en diameter fra en til flere titus nanometer og en længde på op til flere centimeter, bestående af et eller flere sekskantede grafitplaner rullet ind i et rør og normalt ender i et halvkugleformet hoved, hvilket kan betragtes som et halvt fulleren molekyle.

Som det er kendt, blev fulleren (C60) opdaget af gruppen Smalley, Kroto og Curl i 1985, for hvilket disse forskere i 1996 blev tildelt Nobelprisen i kemi. Hvad angår kulstofnanorør, kan den nøjagtige dato for deres opdagelse ikke angives her. Selvom det er almindeligt kendt, at Iijima observerede strukturen af ​​flervæggede nanorør i 1991, er der tidligere beviser for opdagelsen af ​​kulstofnanorør. Så for eksempel i 1974 - 1975. Endo et al. publicerede en række artikler, der beskrev tynde rør med en diameter på mindre end 100 nm, udarbejdet ved dampkondensationsmetoden, men en mere detaljeret undersøgelse af strukturen blev ikke udført.

En gruppe videnskabsmænd fra Institute of Catalysis af den sibiriske afdeling af USSR Academy of Sciences i 1977, mens de studerede karboniseringen af ​​jern-chrom dehydrogeneringskatalysatorer under et mikroskop, registrerede dannelsen af ​​"hule carbon dendritter", mens en mekanisme for formation blev foreslået, og strukturen af ​​væggene blev beskrevet. I 1992 blev der publiceret en artikel i Nature om, at nanorør blev observeret i 1953. Et år tidligere, i 1952, rapporterede en artikel af de sovjetiske videnskabsmænd Radushkevich og Lukyanovich om elektronmikroskopisk observation af fibre med en diameter på omkring 100 nm, opnået af termisk nedbrydning af oxidkulstoffet på en jernkatalysator. Disse undersøgelser blev heller ikke videreført.

Der er mange teoretiske værker om forudsigelsen af ​​denne allotrope form for kulstof. I værket spekulerede kemikeren Jones (Dedalus) om oprullede rør af grafit. I værket af L. A. Chernozatonsky og en anden, udgivet samme år som Iijimas værk, blev kulstofnanorør opnået og beskrevet, og M. Yu. Kornilov forudsagde ikke kun eksistensen af ​​enkeltvæggede kulstofnanorør i 1986, men foreslog også. deres store elasticitet.

Struktur af nanorør

Et ideelt nanorør er et grafitplan rullet ind i en cylinder, det vil sige en overflade beklædt med regulære sekskanter, i toppen af ​​hvilke carbonatomer er placeret. Resultatet af en sådan operation afhænger af orienteringsvinklen af ​​grafitplanet i forhold til nanorørets akse. Orienteringsvinklen bestemmer igen nanorørets chiralitet, som især bestemmer dets elektriske egenskaber.

Fig.1. Foldning af et grafitplan for at opnå et (n, m) nanorør

For at opnå et nanorør med chiralitet (n, m), skal grafitplanet skæres langs retningen af ​​de stiplede linjer og rulles i retningen af ​​vektoren R

Et ordnet par (n, m), der angiver sekskantens koordinater, som som følge af flyets foldning skal falde sammen med sekskanten placeret ved koordinaternes oprindelse, kaldes nanorørets chiralitet og betegnes. En anden måde at betegne chiralitet på er at angive vinklen α mellem retningen af ​​nanorørets foldning og retningen, hvori tilstødende sekskanter deler en fælles side. Men i dette tilfælde, for en fuldstændig beskrivelse af nanorørs geometri, er det nødvendigt at specificere dens diameter. Chiralitetsindekserne for et enkeltlags nanorør (m, n) bestemmer entydigt dets diameter D. Dette forhold har følgende form:

hvor d 0 = 0,142 nm er afstanden mellem tilstødende carbonatomer i grafitplanet.

Forholdet mellem chiralitetsindekserne (m, n) og vinklen α er givet ved:

Blandt de forskellige mulige retninger for foldning af nanorør skelnes de, for hvilke justeringen af ​​(n, m) sekskanten med oprindelsen ikke kræver forvrængning af dens struktur. Disse retninger svarer især til vinklerne α = 0 (lænestolskonfiguration) og α = 30° (zigzag-konfiguration). Disse konfigurationer svarer til henholdsvis chiraliteterne (n, 0) og (2m, m).

Enkeltvæggede nanorør

Strukturen af ​​enkeltvæggede nanorør observeret eksperimentelt adskiller sig i mange henseender fra det idealiserede billede præsenteret ovenfor. Først og fremmest drejer det sig om nanorørets spidser, hvis form, som følger af observationer, langt fra er en ideel halvkugle. En særlig plads blandt enkeltvæggede nanorør er optaget af de såkaldte lænestolsnanorør eller nanorør med chiralitet [10, 10]. I nanorør af denne type er to af C-C-bindingerne, der udgør hver seksleddet ring, orienteret parallelt med rørets længdeakse. Nanorør med en sådan struktur bør have en ren metallisk struktur.

Flervæggede nanorør

Flervæggede nanorør adskiller sig fra enkeltvæggede nanorør i en meget bredere række af former og konfigurationer. Mangfoldigheden af ​​strukturer manifesteres både i langsgående og tværgående retninger. Strukturen af ​​"russiske dukker" er et sæt koaksialt indlejrede cylindriske rør. En anden type af denne struktur er et sæt indlejrede koaksiale prismer. Endelig ligner den sidste af disse strukturer en rulle (scroll). Alle strukturer er karakteriseret ved værdien af ​​afstanden mellem tilstødende grafitlag, som er tæt på værdien af ​​0,34 nm, som er iboende i afstanden mellem tilstødende planer af krystallinsk grafit.

Implementeringen af ​​en eller anden struktur af flervæggede nanorør i en specifik eksperimentel situation afhænger af syntesebetingelserne. En analyse af de tilgængelige eksperimentelle data indikerer, at den mest typiske struktur af flervæggede nanorør er en struktur med sektioner af typen "Russian Doll" og "papier-mâché" skiftevis placeret langs længden. I dette tilfælde indlejres "rørene" af en mindre størrelse successivt i de større rør.

Indhentning af kulstof nanorør

Udviklingen af ​​metoder til syntese af kulstofnanorør (CNT'er) fulgte vejen til at sænke syntesetemperaturerne. Efter skabelsen af ​​teknologien til fremstilling af fullerener blev det konstateret, at under den elektriske lysbuefordampning af grafitelektroder, sammen med dannelsen af ​​fullerener, dannes udvidede cylindriske strukturer. Mikroskopist Sumio Iijima, ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop (TEM), var den første til at identificere disse strukturer som nanorør. Højtemperaturmetoder til fremstilling af CNT'er omfatter den elektriske lysbuemetode. Hvis en grafitstang (anode) fordampes i en elektrisk lysbue, dannes en hård kulstofopbygning (aflejring) på den modsatte elektrode (katode) i den bløde kerne, som indeholder flervæggede CNT'er med en diameter på 15– 20 nm og en længde på mere end 1 μm. Dannelsen af ​​CNT'er fra fullerensod under højtemperatur termisk virkning på sod blev først observeret af Oxford og Schweiz-gruppen. Installationen til lysbuesyntese er metalintensiv, energikrævende, men universel til at opnå forskellige typer kulstof nanomaterialer. I dette tilfælde er et væsentligt problem processens manglende ligevægt under lysbuebrænding. Den elektriske lysbuemetode erstattede på et tidspunkt metoden med laserfordampning (ablation) med en laserstråle. Ablationsenheden er en konventionel resistiv varmeovn, der giver en temperatur på 1200C. For at opnå højere temperaturer i det er det tilstrækkeligt at placere et kulstofmål i ovnen og rette en laserstråle mod det, skiftevis at scanne hele overfladen af ​​målet.

Således opnåede Smalleys gruppe, ved hjælp af dyrt udstyr med en kortpulslaser, nanorør i 1995, hvilket "betydeligt forenklede" teknologien til deres syntese. Udbyttet af CNT'er forblev dog lavt. Indførelsen af ​​små tilsætninger af nikkel og kobolt i grafit gjorde det muligt at øge udbyttet af CNT'er op til 70-90%. Fra det øjeblik begyndte en ny fase i konceptet om mekanismen for nanorørdannelse. Det blev tydeligt, at metallet er en vækstkatalysator. Således dukkede de første værker op om produktion af nanorør ved en lavtemperaturmetode - metoden til katalytisk pyrolyse af kulbrinter (CVD), hvor partikler af et jerngruppemetal blev brugt som katalysator. En af mulighederne for installationen til produktion af nanorør og nanofibre ved CVD-metoden er en reaktor, hvori der tilføres en inert bæregas, som fører katalysatoren og kulbrinte til højtemperaturzonen. Forenklet er CNT-vækstmekanismen som følger. Kulstoffet, der dannes under den termiske nedbrydning af kulbrinteren, opløses i metalnanopartiklerne.

Når en høj koncentration af kulstof i partiklen er nået på en af ​​siderne af partikelkatalysatoren, sker der en energimæssigt gunstig "isolering" af overskydende kulstof i form af en forvrænget semi-fulleren-hætte. Sådan bliver et nanorør født. Det nedbrudte kulstof fortsætter med at trænge ind i katalysatorpartiklen, og for at frigive overskydende koncentration i smelten skal det konstant bortskaffes. Den stigende halvkugle (semifulleren) fra overfladen af ​​smelten bærer det opløste overskydende kulstof med sig, hvis atomer uden for smelten danner en C-C-binding, som er et cylindrisk ramme-nanorør. Smeltetemperaturen for en partikel i en tilstand i nanostørrelse afhænger af dens radius. Jo mindre radius, jo lavere smeltepunkt. Derfor er jernnanopartikler med en størrelse på omkring 10 nm i smeltet tilstand under 600C. I øjeblikket er lavtemperatursyntese af CNT'er blevet udført ved metoden til katalytisk pyrolyse af acetylen i nærvær af Fe-partikler ved 550C. Reduktion af syntesetemperaturen har også negative konsekvenser. Ved lavere temperaturer opnås CNT'er med en stor diameter (ca. 100 nm) og en stærkt defekt "bambus" struktur eller indlejrede nanokegler. De resulterende materialer består kun af kulstof, men de kommer ikke engang tæt på de ekstraordinære egenskaber (for eksempel Youngs modul) observeret i enkeltvæggede kulstofnanorør opnået ved laserablation eller elektrisk lysbuesyntese.

Vævstekniske konstruktioner bruges til at skabe biologiske erstatninger til at reparere eller forbedre vævets funktion. Celler, som en komponent af konstruktionen, kan opnås fra forskellige kilder og være på forskellige stadier af differentiering fra dårligt differentierede celler til højt differentierede specialiserede celler. Kolonisering af den forberedte matrix af celler er et presserende problem for moderne biomedicin. Samtidig påvirker matrixoverfladens egenskaber cellekolonisering, herunder cellevedhæftning og deres proliferation langs matrixen.

De for tiden kendte metoder til opnåelse af vævsmanipulerede konstruktioner anvender fremstillingen af ​​en cellesuspension og den fysiske påføring af denne suspension på et biokompatibelt materiale ved trinvis sedimentering af suspensionskulturen med dannelse af et monolag og anbringelse af materialet i løsningen i lang tid tilstrækkelig til cellegennemtrængning gennem hele materialets volumen, samt brug af 3D bioprint. Forskellige metoder foreslås til dannelse af vævsmanipulerede ækvivalenter af hule indre organer, såsom urinrøret, blæren, galdegangen, luftrøret.

Kliniske undersøgelser[ | ]

Vævsdesignede konstruktioner baseret på biokompatible materialer er blevet undersøgt i kliniske forsøg på patienter med urologiske og dermatologiske sygdomme.

se også [ | ]

Noter [ | ]

1. , Fox C. F. Tissue engineering: procedurer for en workshop, afholdt i Granlibakken, Lake Tahoe, Californien, 26.-29. februar 1988. - Alan R. Liss, 1988. - T. 107.
2. Atala A., Kasper F. K., Mikos A. G. Engineering komplekse væv // Videnskab translationel medicin. - 2012. - V. 4, nr. 160. - S. 160rv12. - ISSN 1946-6234. - DOI:10.1126/scitranslmed.3004890.
3. Vasyutin I.A., Lundup A.V., Vinarov A.Z., Butnaru D.V., Kuznetsov S.L. Rekonstruktion af urinrøret ved hjælp af vævstekniske teknologier. (Russisk) // Bulletin fra Det Russiske Akademi for Medicinske Videnskaber. - 2017. - T. 72, nr. 1. - s. 17–25. - ISSN 2414-3545. - DOI:10.15690/vramn771.
4. Baranovsky D.S., Lundup A.V., Parshin V.D. Indhentning af funktionelt cilieret epitel in vitro til vævsmanipulation af luftrøret (russisk) // Bulletin fra det russiske akademi for medicinske videnskaber. - 2015. - T. 70, nr. 5. - s. 561-567. - ISSN 2414-3545. - DOI:10.15690/vramn.v70.i5.1442 .
5. Lawrence B.J., Madihally S.V. Cellekolonisering i nedbrydelige 3D porøse matricer // Celleadhæsion & migration. - 2008. - Vol. 2, nr. 1. - s. 9-16.
6. Mironov V. et al. Organudskrivning: computerstøttet jet-baseret 3D-vævsteknik //TRENDS i bioteknologi. - 2003. - T. 21. - Nej. 4. - S. 157-161. doi:

For nylig er der observeret et alarmerende mønster over hele verden, som består i en stigning i antallet af sygdomme og handicap hos mennesker i den arbejdsdygtige alder, hvilket presserende kræver udvikling og indførelse i klinisk praksis af nye, mere effektive og overkommelige metoder til genoprettende behandling af patienter.

En af disse metoder, sammen med implantation og transplantation, er vævsteknologi. Cellulær og vævsteknologi - er den seneste bedrift inden for molekylær og cellulær biologi. Denne tilgang har åbnet brede perspektiver for skabelsen af ​​effektive biomedicinske teknologier, ved hjælp af hvilke det bliver muligt at genoprette beskadigede væv og organer og behandle en række alvorlige menneskelige stofskiftesygdomme.

Formålet med vævsteknologi er konstruktion og dyrkning af levende, funktionelle væv eller organer uden for den menneskelige krop til efterfølgende transplantation til en patient for at erstatte eller stimulere regenereringen af ​​et beskadiget organ eller væv. Med andre ord skal den tredimensionelle vævsstruktur genoprettes på stedet for defekten.

Almindelige implantater lavet af inerte materialer kan kun eliminere de fysiske og mekaniske defekter af beskadiget væv, i modsætning til konstrueret væv, der genopretter blandt andet biologiske (metaboliske) funktioner. Det vil sige, at væv regenereres og ikke blot erstattes med syntetisk materiale.

Men for udvikling og forbedring af metoder til rekonstruktiv medicin baseret på vævsteknologi er det nødvendigt at mestre nye meget funktionelle materialer. Disse materialer, der bruges til at skabe bioimplantater, skulle give vævskonstruerede strukturer de egenskaber, der er iboende i levende væv. Blandt disse egenskaber:

• 1) evnen til selvhelbredelse;
• 2) evnen til at opretholde blodforsyningen;
• 3) evnen til at ændre strukturen og egenskaberne som reaktion på miljøfaktorer, herunder mekanisk belastning.

Det vigtigste element i succes er tilgængeligheden af ​​det nødvendige antal funktionelt aktive celler, der er i stand til at differentiere, opretholde den passende fænotype og udføre specifikke biologiske funktioner. Kilden til celler kan være kropsvæv og indre organer. Det er muligt at anvende passende celler fra en patient med behov for rekonstruktiv terapi eller fra en nær slægtning (autogene celler). Kan bruges celler af forskellig oprindelse, herunder primære celler og stamceller. Primære celler er modne celler af et specifikt væv, der kan tages direkte fra en donororganisme (ex vivo) ved kirurgi. Hvis de primære celler tages fra en bestemt donororganisme, og disse celler efterfølgende skal implanteres i den som en modtager, er sandsynligheden for afstødning af det implanterede væv udelukket, da der er den maksimale mulige immunologiske kompatibilitet af de primære celler og modtageren. Imidlertid er primære celler som regel ikke i stand til at dele sig - deres potentiale for reproduktion og vækst er lavt. Ved dyrkning af sådanne celler in vitro (gennem vævsteknologi) er dedifferentiering mulig for nogle typer celler, det vil sige tab af specifikke, individuelle egenskaber. For eksempel producerer chondrocytter indført i kultur uden for kroppen ofte fibrøs snarere end gennemsigtig brusk.

Da primære celler ikke er i stand til at dele sig og kan miste deres specifikke egenskaber, er der behov for alternative cellekilder til udvikling af celleteknologier. Stamceller er blevet sådan et alternativ.

Stamceller er udifferentierede celler, der har evnen til at dele sig, selvforny og differentiere sig til forskellige typer specialiserede celler under påvirkning af specifikke biologiske stimuli.

Stamceller er opdelt i "voksen" og "embryonale". Embryonale stamceller er afledt af den indre cellemasse af tidlig embryonal udvikling, mens voksne stamceller er afledt af voksent væv, navlestrengen eller endda føtalt væv. Der er dog et etisk problem forbundet med den uundgåelige ødelæggelse af det menneskelige embryo ved modtagelse af embryonale stamceller. Derfor er det at foretrække at "ekstrahere" celler fra vævene i en voksen organisme. For eksempel opdagede Shinya Yamanaka fra Kyoto University of Japan i 2007 inducerede pluripotente stamceller (iPSC'er) afledt af humant integumentært væv (hovedsageligt hud). IPSC'er tilbyder virkelig hidtil usete muligheder for regenerativ medicin, selvom der stadig er mange problemer, der skal løses, før de for alvor går ind i lægepraksis.

For at lede organisationen, støtte væksten og differentieringen af ​​celler i processen med genopbygning af beskadiget væv, er der brug for en speciel cellebærer - en matrix, som er et tredimensionelt netværk, der ligner en svamp eller pimpsten. For at skabe dem bruges biologisk inerte syntetiske materialer, materialer baseret på naturlige polymerer (chitosan, alginat, kollagen) og biokompositter. For eksempel opnås knoglevævsækvivalenter ved styret differentiering af knoglemarv, navlestrengsblod eller fedtvævsstamceller til osteoblaster, som derefter påføres forskellige materialer, der understøtter deres deling (for eksempel donorknogle, kollagenmatricer osv.) .

Til dato er en af ​​strategierne for vævsteknologi som følger:

• 1) selektion og dyrkning af egne eller donorstamceller;
• 2) udvikling af en speciel bærer til celler (matrix) baseret på biokompatible materialer;
• 3) påføring af cellekulturen på matrixen og celleformering i en bioreaktor med særlige dyrkningsbetingelser;
• 4) direkte indføring af en vævsmanipuleret struktur i området af det berørte organ eller foreløbig placering i et område, der er godt forsynet med blod til modning og dannelse af mikrocirkulation inde i strukturen (præfabrikation).

Matricerne forsvinder fuldstændigt efter nogen tid efter implantation i værtsorganismen (afhængigt af vævsvæksthastigheden), og kun nyt væv er tilbage på defektstedet. Det er også muligt at indføre en matrix med allerede delvist dannet nyt væv ("biokomposit"). Naturligvis skal den vævskonstruerede struktur efter implantation bibeholde sin struktur og funktioner i et tidsrum, der er tilstrækkeligt til at genoprette normalt fungerende væv på stedet for defekten og integrere med omgivende væv. Men desværre er der endnu ikke skabt ideelle matricer, der opfylder alle de nødvendige betingelser.

Lovende vævsingeniørteknologier har åbnet muligheden for laboratorieskabelse af levende væv og organer, men videnskaben er stadig magtesløs før skabelsen af ​​komplekse organer. Men relativt for nylig har forskere ledet af Dr. Gunter Tovar (Gunter Tovar) fra Fraunhofer Society i Tyskland gjort et stort gennembrud inden for vævsteknologi - de har udviklet en teknologi til at skabe blodkar. Men det så ud til, at det var umuligt kunstigt at skabe kapillære strukturer, da de skal være fleksible, elastiske, små i form og samtidig interagere med naturlige væv. Mærkeligt nok, men produktionsteknologier kom til undsætning - en metode til hurtig prototyping (med andre ord 3D-print). Det er underforstået, at en kompleks tredimensionel model (i vores tilfælde et blodkar) udskrives på en tredimensionel inkjetprinter ved hjælp af speciel "blæk".

Printeren påfører materialet i lag, og visse steder er lagene kemisk sammenføjet. Vi bemærker dog, at for de mindste kapillærer er tredimensionelle printere endnu ikke tilstrækkelig nøjagtige. I denne henseende blev anvendt i polymerindustrien anvendt. Korte intense laserimpulser, der behandler materialet, exciterer molekylerne så kraftigt, at de interagerer med hinanden og forbindes i lange kæder. Således polymeriserer materialet og bliver hårdt, men elastisk, ligesom naturmaterialer. Disse reaktioner er så kontrollerbare, at de kan bruges til at skabe de mindste strukturer efter en tredimensionel "tegning".

Og for at de skabte blodkar skal kunne docke med kroppens celler, integreres modificerede biologiske strukturer (for eksempel heparin) og "anker"-proteiner i dem under fremstillingen af ​​kar. På næste trin fikseres endotelceller (et enkelt lag af flade celler, der beklæder den indre overflade af blodkarrene) i systemet af skabte "tubuli", så blodkomponenterne ikke klæber til væggene i det vaskulære system, men er frit. transporteres igennem den.

Der vil dog gå noget tid, før laboratoriedyrkede organer med deres egne blodkar rent faktisk kan implanteres.

I efteråret 2008 udførte lederen af ​​klinikken ved University of Barcelona (Spanien) og Medical School of Hannover (Tyskland), professor Paolo Macchiarini (Paolo Macchiarini) den første succesfulde transplantation af en biokonstrueret ækvivalent af luftrøret til en patient med stenose af venstre hovedbronchus i 3 cm.

Et segment af en kadaverisk luftrør på 7 cm blev taget som matrix for det fremtidige transplantat. For at opnå en naturlig matrix med egenskaber, der er bedre end alt, hvad der kan fremstilles af polymerrør, blev luftrøret renset for det omgivende bindevæv, donorceller, og histokompatibilitetsantigener. Oprensning bestod af 25 cyklusser af devitalisering under anvendelse af 4% natriumdeoxycholat og deoxyribonuclease I (processen tog 6 uger). Efter hver devitaliseringscyklus blev der udført en histologisk undersøgelse af vævet for at bestemme antallet af tilbageværende kerneholdige celler, samt en immunhistokemisk undersøgelse for tilstedeværelsen af ​​histokompatibilitetsantigener HLA-ABC, HLA-DR, HLA-DP og HLA- DQ i vævet. Ved hjælp af en bioreaktor af deres eget design påførte forskerne en cellesuspension jævnt på overfladen af ​​et langsomt roterende stykke af luftrøret med en sprøjte. Derefter roterede transplantatet, halvt nedsænket i dyrkningsmediet, omkring sin akse for skiftevis at komme i kontakt med cellerne med mediet og luften.

Tissue engineering (TI), som en disciplin, begyndte sin historie i første halvdel af det 20. århundrede. Grundlaget for dets grundlag var den teoretiske og praktiske udvikling af skabelsen af ​​"kunstige" organer og væv og arbejdet med transplantation af celler og biologisk aktive komponenter på bærere for at genoprette skader i forskellige væv i kroppen (Langer R., Vacanti J.P. , 1993).

I øjeblikket er vævsteknologi en af ​​de yngste grene inden for medicin, baseret på principperne om molekylærbiologi og genteknologi. Den tværfaglige tilgang, der anvendes i den, er primært rettet mod at skabe nye biokompositmaterialer for at genoprette de tabte funktioner i individuelle væv eller organer som helhed (Spector M., 1999). Hovedprincipperne i denne tilgang ligger i udviklingen og brugen af ​​bærere lavet af biologisk nedbrydelige materialer til implantation i et beskadiget organ eller væv, som bruges i kombination med enten donorceller og/eller bioaktive stoffer. For eksempel ved behandling af en sårproces kan disse være kollagenbelægninger med allofibroblaster og ved karkirurgi kunstige kar med antikoagulantia (Vacanti SA et.al., 1993). Derudover er et af de alvorlige krav til sådanne bærematerialer, at de skal give en pålidelig støtte, det vil sige støtte og/eller strukturdannende funktion i det beskadigede område af vævet eller organet.

Derfor er en af ​​hovedopgaverne for vævsteknologi i behandlingen af ​​knoglepatologier skabelsen af ​​kunstige biokompositter bestående af allo- og/eller xenomaterialer i kombination med bioaktive molekyler (knoglemorfogenetiske proteiner, vækstfaktorer osv.) og i stand til at inducere osteogenese. Samtidig skal sådanne biomaterialer have en række nødvendige knogleegenskaber (Yannas I.V. et.al., 1984; Reddi A.H.et.al., 1987; Reddi A.H., 1998).

For det første skal de opfylde og vedligeholde (stilladset) omfanget af manglen.

For det andet at have osteoinduktivitet, det vil sige aktivt at inducere osteoblaster og muligvis andre mesenkymale celler til at danne knogle.

Og for det tredje at have gode indikatorer for biointegration og biokompatibilitet, det vil sige at være nedbrydelige og ikke forårsage betændelses- og immunreaktioner hos modtageren. Sidstnævnte kvalitet opnås normalt kun i biomaterialet ved at reducere dets antigene egenskaber.

Kombinationen af ​​alle disse egenskaber gør det muligt for sådanne biomaterialer, parallelt med den understøttende, mekaniske funktion, at give biointegration - indvækst af celler og blodkar i implantatets strukturer efterfulgt af dannelsen af ​​knoglevæv.

Det er kendt, at den understøttende virkning af ethvert biomateriale som regel er tilvejebragt af dets strukturelle træk. For biomaterialer er denne indikator normalt forbundet med arkitekturen af ​​det native væv, hvorfra det blev opnået. For knogle er hovedparametrene for dens strukturelle styrke de hård-elastiske egenskaber af knoglematrixen og størrelsen af ​​porerne i den (Marra P. G. 1998; Thomson R. C. et. al., 1998).

De mest almindelige biomaterialer med en særskilt støttefunktion omfatter kunstig og naturlig hydroxyapatit (HA), biokeramik, polyglykolsyre og kollagenproteiner (Friess W., 1998).

I øjeblikket bruges mange forskellige former for hydroxyapatit til at erstatte knogledefekter i kirurgisk tandpleje, ortopædi og traumatologi, der adskiller sig i form og størrelse af partiklerne. Det antages, at kunstigt opnået hydroxyapatit praktisk talt er identisk med hensyn til kemisk sammensætning og krystallografiske parametre med nativ knoglehydroxyapatit (Parsons J., 1988). Mange forfattere viser både eksperimentelt og klinisk, at brugen af ​​hydroxyapatit har betydelige fordele i forhold til andre implantatmaterialer. Så dets positive egenskaber inkluderer sådanne indikatorer som let sterilisering, lang holdbarhed, høj grad af biokompatibilitet og ekstrem langsom resorption i kroppen (Volozhin A.I. et al., 1993). Hydroxyapatit er bioinert og yderst kompatibel med knogler (Jarcho M. et.al., 1977) som vist i eksperimentelle undersøgelser. I processen med at erstatte en knogledefekt i nærvær af HA, under påvirkning af biologiske væsker og vævsenzymer, kan hydroxyapatit resorberes delvist eller fuldstændigt (Klein A.A., 1983). Den positive virkning af hydroxyapatit efter dets implantation i knoglehulen forklares tilsyneladende ikke kun af materialets osteoledende egenskaber, men også af dets evne til at absorbere osteogenese-inducerende proteiner på dets overflade (Ripamonti U., Reddi A.H., 1992).

I øjeblikket opnås hovedparten af ​​biomaterialer til restaurering af knogledefekter fra brusk og/eller knoglevæv fra mennesker eller forskellige dyr. Ofte bruges komponenter af andre typer bindevæv til fremstilling af kompositmaterialer - hud, sener, meninges osv. (Voupe 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).

Kollagen er det mest kendte af de moderne biomaterialer. Dets udbredte anvendelse i praktisk medicin er forbundet med udviklingen af ​​rekonstruktiv kirurgi og søgen efter nye materialer, der udfører stillads- og plastiske funktioner i vævsregenerering. De vigtigste fordele ved kollagen som et plastisk biomateriale omfatter dets lave toksicitet og antigenicitet, høje mekaniske styrke og modstandsdygtighed over for vævsproteser (Istranov L.P., 1976). Kilderne til kollagenproduktion ved fremstilling af produkter til plastikkirurgi er væv rigt på dette protein - hud, sener, hjertesækken og knogler. En dermal kollagenopløsning fremstillet af Collagen Corp. anvendes i vid udstrækning i medicinsk praksis. (Palo-Alto USA), under navnene "Zyderm" og "Zyplast". På baggrund af dette kollagen er der udviklet forskellige medicinske produkter såsom implantater, sårbelægninger, kirurgiske tråde til suturering af sårflader mv.

I 70'erne af forrige århundrede blev der først opnået data om effekten af ​​kollagentransplantater på knoglevævsreparation. Samtidig blev det fundet, at kollagenimplantater fremmer spredningen af ​​fibroblaster, vaskularisering af nærliggende væv og tilsyneladende inducerer dannelsen af ​​nyt knoglevæv med dets efterfølgende omstrukturering (Reddi A.H., 1985). Som et hurtigt biologisk nedbrydeligt materiale blev kollagen også brugt i form af en gel til genopretning af knogledefekter (De Balso A.M., 1976). Resultaterne opnået af denne forfatter antydede også, at kollagenbaserede præparater er i stand til at stimulere knoglevævsregenerering.

For at erstatte knogledefekter blev der samtidig startet undersøgelser af brugen af ​​biokompositmaterialer indeholdende både kollagen og hydroxyapatit. Så til maxillofacial kirurgi og kirurgisk tandpleje blev sammensætninger "Alveloform" og "Bigraft" indeholdende oprenset fibrillært hudkollagen og HA-partikler (Collagen Corp., Palo Alto, USA) udviklet. Disse biomaterialer blev brugt til at genoprette den alveolære højderyg i den kirurgiske behandling af patienter med parodontitis (Krekel G. 1981, Lemons M.M. 1984, Miller E. 1992). Histologiske og ultrastrukturelle undersøgelser har vist, at sammensætningen - kollagen og HA har en positiv effekt på regenereringen af ​​højderyggens knogle, men samtidig udfører denne slags biomaterialer hovedsageligt skelet- og ledende funktioner, det vil sige, at de udviser deres osteoledende egenskaber (Mehlisch D.R., 1989). Senere kom mange andre forskere til lignende konklusioner, og de fleste videnskabsmænd holder sig i øjeblikket til dette synspunkt (Glimcher M.J., 1987; Friess W., 1992; VaccantiC.A. et.al., 1993).

Men ifølge en anden gruppe forskere har biokompositmaterialer, der indeholder dermalt kollagen "Ziderm" og syntetisk hydroxyapatit, visse osteogene styrker. For eksempel har Katthagen et al. (1984), der studerede virkningen af ​​Collapat-materialet indeholdende type 1-hudkollagen og stærkt dispergerede hydroxyapatitpartikler på restaurering af knogledefekter i lårbenet hos kaniner, fandt, at knoglevævsregenerering hos forsøgsdyr forløb 5 gange hurtigere end i kontrol. Disse eksperimentelle resultater dannede grundlag for den videre anvendelse af "Kollapat"-materialet i klinisk praksis.

Det er velkendt, at de mest velegnede til transplantation og efterfølgende biointegration utvivlsomt er autotransplantater, som fremstilles af patientens eget væv, og dette eliminerer fuldstændigt de vigtigste immunologiske og mest infektiøse komplikationer under efterfølgende transplantation (Enneking W.F. et.al., 1980; Summers) B.N., Eisenstein S.M., 1989; Reddi A.H., 1985; Goldberg V.M. et al., 1991). Sådanne materialer skal dog klargøres umiddelbart før transplantation, ellers skal klinikken have en knoglebank til at opbevare sådant biomateriale, som i realiteten kun er tilgængeligt for meget store medicinske institutioner på grund af de høje omkostninger til klargøring og opbevaring af disse materialer. Derudover er mulighederne for at skaffe betydelige mængder automateriale meget begrænsede, og når det tages, gennemgår donoren som udgangspunkt alvorlige kirurgiske indgreb. Alt dette begrænser væsentligt den udbredte anvendelse af autotransplantater (Bos G.D. et.al., 1983; Horowitz M.C. 1991). Derfor står vævsteknik inden for behandling af knoglepatologier over for en reel opgave med at skabe biokompositmaterialer, hvis anvendelse vil give en løsning på mange problemer både i celletransplantation og stimulering af knogledannelse på de steder, hvor det beskadiges, og ved at reducere arbejds- og økonomiske omkostninger ved eliminering af knogleskader hos patienter med forskellige profiler.

På nuværende tidspunkt, på grund af indsatsen fra en række forskere, der arbejder inden for vævsteknologi, er biokompositmaterialer blevet udviklet og introduceret, som omfatter både native knoglemarvsceller og stromale osteogene progenitorceller dyrket i knoglemarvs monolagskulturer (Gupta D. , 1982; Bolder S., 1998). Disse forfattere fandt ud af, at for vellykket induktion af osteogenese på transplantationsstedet er det nødvendigt at skabe en høj initial tæthed af stromale progenitorer - omkring 108 celler. Samtidig gav en simpel introduktion af en suspension af sådanne celler ikke gode resultater. I denne henseende opstod et alvorligt problem i søgningen efter bærere til transplantation af celler ind i modtagerens krop.

For første gang som sådan transportør har Gupta D. et. al. (1982) foreslog brugen af ​​xenobone, tidligere affedtet og afkalket. Ydermere blev det fundet, at afhængigt af graden af ​​xenobonoprensning øges procentdelen af ​​binding af cellulære elementer til bæreren, og cellerne binder meget bedre med dens organiske del end med naturlig knoglehydroxyapatit (Hofman S., 1999).

Af syntetiske materialer er keramik i dag meget brugt som bærere til celletransplantation (Burder S. 1998), som er en kunstig hydroxyapatit opnået ved at behandle tricalciumphosphat med høje temperaturer.

Tandkirurger i hjemmet brugte dura mater som en egnet bærer til transplantation af allogene fibroblaster og bemærkede, at brugen af ​​denne transplantation med allofibroblaster til behandling af moderat og svær kronisk generaliseret parodontitis har en række fordele i forhold til andre behandlingsmetoder (Dmitrieva L.A., 2001).

Tidligere, i en række værker om konstruktion af "kunstig hud", blev det fundet, at succesen med at genoprette dette væv efter dets skade afhænger af tilstanden af ​​det cellulære mikromiljø i det beskadigede område. På den anden side skabes selve mikromiljøet af en optimal kombination af hovedkomponenterne i den ekstracellulære matrix, såsom kollagener, glycoproteiner og proteoglycaner (Yannas I. et.al., 1980, 1984; Pruitt B., Levine N. , 1984; Madden M. et al., 1994).

Kollagen er et typisk fibrillært protein. Dets individuelle molekyle, tropocollagen, består af tre spiralformede polypeptidkæder, kaldet a-kæder, som er snoet sammen til en fælles helix og stabiliseres af hydrogenbindinger. Hver a-kæde indeholder i gennemsnit omkring 1000 aminosyrerester. Der er to hovedkombinationer af kæder i knoglevæv - to λ1 og en λ2 eller type 1 kollagen og tre λ-1 eller type III kollagen. Ud over de ovennævnte typer blev andre kollagenisoformer fundet i mindre mængder i knoglen (Serov V.P., Shekhter A.B., 1981).

Proteoglycaner er komplekse forbindelser af polysaccharider med protein. Polysacchariderne, der udgør proteoglycaner, er lineære polymerer bygget af forskellige disaccharidunderenheder dannet af uronsyrer (glucuronsyre, galacturonsyre og iduronsyre), N-acetylhexosaminer (IM-acetylglucosamin, N-acetyl-galactosamin) og neutrale saccharider (galactose, mannose og mannose) . Disse polysaccharidkæder kaldes glycosaminoglycaner. Mindst et af sukkerarterne i disaccharidet har en negativt ladet carboxyl- eller sulfatgruppe (Stacey M., Barker C, 1965). Modent knoglevæv indeholder hovedsageligt sulfaterede glycosaminoglycaner (sGAG'er), såsom chondroitin-4 og chondroitin-6 sulfater, dermatansulfat og keratansulfat. Biosyntesen af ​​proteoglycaner i knoglevæv udføres hovedsageligt af aktiverede osteoblaster og i lille grad af modne osteocytter (Juliano R., Haskell S., 1993; Wendel M., Sommarin Y., 1998).

Den funktionelle betydning af sulfaterede glycosaminoglycaner i bindevævet (CT) er stor og er primært forbundet med dannelsen af ​​kollagen- og elastinfibre. Sulfaterede glycosaminoglycaner er involveret i næsten alle processer af bindevævsmetabolisme og kan have en modulerende effekt på differentieringen af ​​dets cellulære elementer (Panasyuk A.F. et al., 2000). Mange parametre for ST-regenerering afhænger af deres kvalitative og kvantitative egenskaber i væv, såvel som detaljerne for interaktion med andre komponenter i den ekstracellulære matrix.

Regenerering og restaurering af knoglevæv er et kompleks af sekventielle processer, herunder både aktivering af osteogene celler (rekruttering, proliferation og differentiering), og den direkte dannelse af en specialiseret matrix - dens mineralisering og efterfølgende knoglevævsremodellering. Samtidig er disse celler altid under kontrol og indflydelse af en række biologiske og mekaniske faktorer.

Ifølge moderne koncepter er tissue engineering (TI) af knoglevæv baseret på tre hovedprincipper, der sikrer en vellykket udskiftning af dette væv.

For det første er det vigtigste princip i skabelsen af ​​biomaterialer og strukturer til implantation reproduktionen af ​​de vigtigste egenskaber ved den naturlige knoglematrix, fordi det er den unikke struktur af knoglevæv, der har den mest udtalte effekt på regenereringsprocesser. Det er kendt, at disse karakteristika af matrixen afhænger af dens tredimensionelle struktur og kemiske sammensætning, såvel som af dens mekaniske egenskaber og evne til at påvirke de cellulære former af bindevæv (CT).

Matrixarkitektonikken inkluderer sådanne parametre som forholdet mellem overflade og volumen, tilstedeværelsen af ​​et system af porer og, vigtigst af alt, dets funktionelle og mekaniske egenskaber. På grund af disse indikatorer kan matrixen tilsyneladende regulere vaskulær indvækst, give kemotaktiske stimuli til endogene celler, modulere cellevedhæftning, stimulere deling, differentiering og efterfølgende mineralisering. Det antages, at den tredimensionelle struktur af matrixkonstruktionen ikke kun kan påvirke induktionsprocesserne, men også selve regenereringshastigheden.

Derfor skal et vævsmanipuleret biomateriale eller konstruktion have egenskaber, der under in vivo-betingelser er i stand til at tilvejebringe både ledende og induktive egenskaber af den naturlige matrix. Førstnævnte inkluderer sådanne indikatorer som evnen til at fylde og opretholde volumen, mekanisk integration, der giver permeabilitet til celler og blodkar. Den anden - giver en direkte eller indirekte effekt på cellulære former, stimulere dem til at danne brusk og / eller knoglevæv.

Det næste vigtige princip for succes med målrettet knoglevævsmanipulation er brugen af ​​eksogene og/eller aktivering af endogene celler, der er direkte involveret i processerne til skabelse af dette væv. I dette tilfælde kan kilden til sådanne celler både være ens egen og en donororganisme. For eksempel er brugen af ​​visse celletyper fra knoglemarvspluripotente stromaceller til engagerede osteoblastlignende celler med succes blevet brugt både i dyreforsøg og i klinikken.

Under omvendt transplantation i kroppen er stromale progenitorceller som regel i stand til at differentiere til modne former, syntetisere en matrix og udløse en kaskade af endogene knoglevævsreparationsreaktioner. Samtidig antyder et alternativt syn på brugen af ​​sammensatte biomaterialer deres direkte effekt på endogene knogle- og andre bindevævsceller, deres rekruttering (tiltrækning) til implantationszonen, stimulering af deres proliferation og stigning i deres biosyntetiske aktivitet, hvilket tvinger disse celler til aktivt at danne knoglevæv. Derudover kan sådanne materialer være gode cellebærere, hvorpå stamceller kan dyrkes forud for transplantation. Det sidste af hovedprincipperne for succes med knoglevævsteknologi er brugen af ​​bioaktive molekyler, herunder vækstfaktorer, cytokiner, hormoner og andre biologisk aktive stoffer.

Til induktion af knogledannelse er de mest kendte faktorer knoglemorfogenetiske proteiner, transformerende vækstfaktor - TGF-β, insulinlignende vækstfaktor IGF og vaskulær endotelvækstfaktor VEGF Derfor kan et biokompositmateriale være mættet og/eller indeholde disse bioaktive molekyler i sin struktur, hvilket gør det muligt at bruge det under implantation som et depot for sådanne stoffer. Den gradvise frigivelse af disse faktorer kan aktivt påvirke processerne for knogleregenerering. Ud over disse stoffer kan sammensætningen af ​​kompositmaterialer omfatte mikro- og makroelementer samt andre molekyler (sukker, peptider, lipider osv.), der er i stand til at stimulere og vedligeholde øget fysiologisk aktivitet af celler i et restituerende knoglevæv.

I øjeblikket er der en lang række bioplastiske materialer, der har osteoledende og/eller osteoinduktive egenskaber. Materialer indeholdende praktisk talt ren hydroxyapatit (HA), såsom Osteogaf, Bio-Oss, Osteomin, Ostim, udviser således hovedsagelig ledende egenskaber, selvom de er i stand til at udøve en svag osteoinduktiv effekt. En anden gruppe af materialer er helt eller delvist demineraliseret knoglevæv, såvel som kombinationer af disse materialer med biologisk aktive stoffer, såsom knoglemorfogenetiske proteiner og/eller vækstfaktorer [Panasyuk A.F. et al., 2004].

De vigtigste krav til bioplastiske materialer forbliver sådanne parametre som deres antigene og induktive egenskaber. Derudover kræver forskellige operationer ofte materialer, der sammen med ovenstående indikatorer har gode plast- eller styrkeegenskaber for at skabe og vedligeholde de nødvendige former og konfigurationer ved udfyldning af hulrum og vævsdefekter.

Under hensyntagen til alt ovenstående har Konectbiopharm LLC udviklet en teknologi til at opnå knoglekollagen og knoglesulfaterede glycosaminoglycaner (sGAG'er), og på basis heraf er der fremstillet biokompositte osteoplastiske materialer fra Biomatrix- og Osteomatrix-serien. Hovedforskellen mellem disse grupper af biomaterialer er, at Biomatrix indeholder knoglekollagen og sulfaterede knogleglycosaminoglycaner, og Osteomatrix, der har de samme to hovedkomponenter af knoglevæv, indeholder også hydroxyapatit i sin naturlige form [Panasyuk A. F. et al., 2004]. Kilden til disse biomaterialer er de svampede og kortikale knogler fra forskellige dyr såvel som mennesker. Knoglekollagenet opnået ved denne teknologi indeholder ikke andre proteiner og er under in vitro-betingelser praktisk talt uopløseligt i tilstrækkeligt koncentrerede opløsninger af alkalier og organiske syrer.

Denne egenskab gør det muligt for biomaterialer ikke kun at være inerte i forhold til kroppens immunsystem, men også at være modstandsdygtige over for biologisk nedbrydning i lang tid efter deres implantation. I øjeblikket bruges metoden til stimulering af celler med blodpladerigt plasma (PRP) aktivt for at accelerere væksten af ​​knogler og blødt væv. Denne nye bioteknologi af målrettet vævsteknologi og celleterapi er ifølge nogle forfattere et reelt gennembrud i kirurgisk praksis. Men at få sådan plasma kræver en vis teknisk udstyr og i nogle tilfælde specialuddannede medarbejdere. Brugen af ​​Biomatrix-materialet til disse formål løser fuldstændigt det reelle problem med minimale omkostninger, fordi der ikke er behov for at isolere blodplader fra patientens blod. I en række eksperimenter fandt vi, at materialet "Biomatrix" er i stand til specifikt og i store mængder at binde perifere blodplader (tabel 1).

Tabel 1 Binding af blodplader til knoglekollagen.

* - 6 ml blod blev inkuberet med 1 g knoglekollagen (1 g tørt knoglekollagen optager et volumen på 2 til 7 cm³, afhængigt af dets porøsitet). Dataene i tabellen er præsenteret som indholdet af blodplader i 1 ml blod efter at have passeret det gennem 1 cm³ knoglekollagen.

Så 1 cm³ Biomatrix biomateriale er i stand til at binde næsten alle blodplader (mere end 90%) fra 1 ml blod, det vil sige fra 226 til 304 millioner blodplader. Samtidig sker bindingen af ​​blodplader til knoglekollagen hurtigt og afsluttes i løbet af få minutter (graf 1).

Graf 1. Hastigheden for binding af blodplader til knoglekollagen.

Det viste sig også, at hvis biomaterialet "Biomatrix" blev brugt uden at dække med antikoagulanter, så skete dannelsen af ​​en koagel næsten øjeblikkeligt. Det er nu bevist, at arbejdskoncentrationen for blodpladerigt plasma starter fra 1 million blodplader pr. isolation kræver betydelige økonomiske omkostninger og en vis erhvervserfaring. Derudover til aktivering af blodplader og deres frigivelse af 7 vækstfaktorer: 3 typer PDGF-aa, -bb, -ab, to transformerende vækstfaktorer - TGF-β1 og β2, vaskulær endotelvækstfaktor VEGF og epitelvækstfaktor EGF - rigt plasma skal koaguleres af blodplader før brug. Sammenlignet med kendte metoder kan biomaterialet "Biomatrix" øge koncentrationen af ​​blodplader betydeligt. Samtidig er kollagen netop det protein, der er i stand til at aktivere Hageman faktoren (XII blodkoagulationsfaktor) og komplementsystemet.

Det er kendt, at den aktiverede Hageman-faktor udløser en kaskade af reaktioner i blodkoagulationssystemet og fører til dannelsen af ​​en fibrinprop. Denne faktor eller dens fragmenter kan også initiere kallikrein-kinin-systemet i blodet. Således er knoglekollagen i sammensætningen af ​​materialerne "Biomatrix" og "Osteomatrix" i stand til at aktivere hovedsystemerne for blodplasmaproteolyse, som er ansvarlige for at opretholde hæmodynamisk balance og sikre regenerative reaktioner i kroppen. I modsætning til blodpladerigt plasma, som i sig selv ikke har en osteoinduktiv effekt, det vil sige, at det ikke kan starte knogledannelse uden tilstedeværelse af knogleceller, har Biomatrix- og Osteomatrix-materialer en sådan styrke.

Så med intramuskulær implantation af Biomatrix og især Osteomatrix biomaterialer dannes ektopisk knoglevæv, som direkte beviser den osteoinduktive aktivitet af disse materialer [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. Den kombinerede brug af blodpladerigt plasma med et rekombinant knoglemorfogenetisk protein, som kan stimulere bindevævsceller til at danne knoglevæv, løser dette problem, men det fører til en betydelig stigning i omkostningerne ved teknikken. Det skal også bemærkes, at materialerne i Osteomatrix-serien indeholder naturlig knoglehydroxyapatit, som er i stand til at affinitetsakkumulere knoglemorfogenetiske proteiner syntetiseret af osteoblaster på dens overflade og dermed yderligere stimulere osteogenese ("induceret osteoinduktion").

I dette tilfælde fjernes indsigelsen om muligheden for at udvikle tumorer på grund af brugen af ​​rekombinante proteiner fuldstændigt, fordi i tilfælde af en lignende anvendelse af Biomatrix- og Osteomatrix-materialerne er der kun naturlige proteiner af naturlig oprindelse til stede i implantationszonen . Materialer i serierne "Biomatrix" og "Osteomatrix" har også en anden unik kvalitet - de er i stand til at affinitetsbinde sulfaterede glycosaminoglycaner [Panasyuk A.F., Savashchuk D.A., 2007]. Denne binding under betingelser svarende til blodpladebinding forekommer i løbet af kort tid, og antallet af bundne sulfaterede glycosaminoglycaner overstiger væsentligt de fysiologiske parametre (tabel 2).

Tabel 2 Binding af sulfaterede glycosaminoglycaner til knoglekollagen.

På nuværende tidspunkt er det velkendt, at både kollagen og hydroxyapatit, der anvendes separat, hovedsageligt har osteoledende egenskaber, det vil sige, at de kun er i stand til at spille rollen som et "faciliterende" materiale til dannelsen af ​​ny knogle. Disse molekyler kan dog også have en svag osteoinduktiv effekt på osteoblastiske celler på grund af nogle af deres biologiske egenskaber.

Denne osteoinduktive effekt forstærkes af den kombinerede brug af disse to typer molekyler. På den anden side, hvis sulfaterede glycosaminoglycaner også er til stede i biomaterialerne sammen med kollagen og hydroxyapatit, så vil et sådant kompleks i struktur være tættere på den naturlige knoglematrix og derfor have sine funktionelle karakteristika i højere grad. Så det er kendt, at sulfaterede glycosaminoglycaner påvirker mange indikatorer for bindevævsmetabolisme.

De er i stand til at reducere aktiviteten af ​​proteolytiske enzymer, undertrykke den synergistiske virkning af disse enzymer og oxygenradikaler på den intercellulære matrix, blokere syntesen af ​​inflammatoriske mediatorer ved at maskere antigene determinanter og afskaffe kemotaksi, forhindre celleapoptose induceret af skadelige faktorer og også reducere lipidsyntese og derved forhindre nedbrydningsprocesser. Derudover er disse forbindelser direkte involveret i konstruktionen af ​​selve kollagenfibrene og den ekstracellulære matrix som helhed.

I de tidlige stadier af skade på bindevævet fungerer de som initiatorerne til skabelsen af ​​en midlertidig matrix og giver dig mulighed for at stoppe nedbrydningen af ​​bindevævet og dannelsen af ​​et groft ar og efterfølgende sikre det hurtigere udskiftning med bindevæv normalt for dette organ [Panasyuk A.F. et al., 2000]. Desværre er sulfaterede glycosaminoglycaners rolle i reguleringen af ​​osteogenese ikke blevet undersøgt nok, men det er blevet vist, at den vigtigste udfordrer for rollen som inducer af ektopisk osteogenese i modelsystemet er proteoglycanen, der udskilles af celler i blæren. epitel [Fridenshtein A.Ya., Lalykina K.S., 1972].

Andre forfattere deler en lignende mening, idet de mener, at proteoglycaner er en af ​​faktorerne i det stromale mikromiljø, der regulerer hæmatopoiesis og anden histogenese af mesenkymale derivater. Derudover er det blevet vist, at in vitro og in vivo chondroitinsulfater har en udtalt effekt på knoglemineralisering.Vi fandt således, at når materialet "Osteomatrix" udsættes for kulturen af ​​humane chondrocytter, induceres deres chondrogene egenskaber. Under påvirkning af materialet dannede menneskelige chondrocytter histotypiske strukturer i kultur, hvor fosfataflejring og knoglematrixmineralisering forekommer under dets forbening.

Yderligere blev det fundet, at efter implantation af biomaterialerne "Biomatrix", "Allomatrix-implantat" og "Osteomatrix" i kaniner, dannes ektopisk knogle, efterfulgt af dens aflejring med knoglemarv. Derudover er disse materialer med succes blevet anvendt som bærere til transplantation af stromale stamceller [Ivanov S.Yu. et al., 2000]. Til dato har disse materialer opnået anerkendelse både i dental og ortopædisk praksis [Ivanov S.Yu. et al., 2000, Lekishvili M.V. et al., 2002, Grudyanov A.I. et al., 2003, Asnina S.A. et al., 2004, Vasiliev M. G. et al., 2006]. Med høj effektivitet blev de brugt i tilfælde af ufuldkommen osteogenese, restaurering af hånden, i kirurgisk behandling af periodontale sygdomme og eliminering af defekter i kæbeknoglerne. Disse biomaterialer, takket være den udviklede teknologi til deres fremstilling, er indtil videre de eneste materialer i verden, der næsten fuldstændigt har bevaret kollagen- og mineralstrukturerne i naturlig knogle, men samtidig er disse materialer fuldstændig blottet for antigenicitet.

Den store fordel ved disse biomaterialer er, at de indeholder sulfaterede knogleglycosaminoglycaner, affinitet forbundet med kollagen og hydroxyapatit, hvilket adskiller dem markant fra analoger, der er tilgængelige i verden, og væsentligt forbedrer deres osteogene styrke. Således beviser ovenstående eksperimentelle og kliniske data virkelig, at baseret på moderne principper for vævsteknologi, blev hbaseret på knoglekollagen, sulfaterede glycosaminoglycaner og hydroxyapatit udviklet og introduceret i klinisk praksis. Disse moderne, effektive og sikre nye generationers biomaterialer åbner op for brede muligheder for at løse mange problemer med knoglevævsrestaurering i traumatologi og ortopædi såvel som i mange andre områder af kirurgisk praksis.

Elektronogrammet (fig. 1) viser, at knoglekollagenpræparater er et netværk af ordnede bundter og fibre. Samtidig er fibrene selv tæt pakket i bundter af anden orden uden brud og defekter. I dets udseende har materialet en klassisk porøs-cellulær struktur, som fuldt ud svarer til arkitekturen af ​​naturlig spongiløs knogle og er fri for kar, proteiner, mekaniske og andre indeslutninger. Porestørrelsen varierer fra 220 til 700 µm.

Biokompatibiliteten af ​​knoglekollagen blev evalueret af os i henhold til standardtests under betingelserne for deres implantation under huden på Wistar-rotter. Ved hjælp af histomorfologisk analyse og scanningelektronmikroskopi blev det konstateret, at knoglekollagen efter halvanden måneds ophold i modtagerens krop praktisk talt ikke ødelægges og bevarer sin struktur.

Fig 1. Fig 2.

Som det kan ses i fig. 2, er porerne, trabeklerne og cellerne i det implanterede knoglekollagen delvist fyldt med løs fibrøs CT, hvis fibre er svagt loddet til implantatet. Det ses tydeligt, at der dannes et ubetydeligt fibrøst lag omkring det, og tilstedeværelsen af ​​et lille antal cellulære elementer, hvoraf de vigtigste er fibroblaster, bemærkes i selve implantatet. Karakteristisk er implantatet ikke loddet til det omgivende hudvæv næsten i hele dets længde. Disse resultater indikerer klart dette materiales høje modstand mod biologisk nedbrydning og den fuldstændige bioinerthed af det omgivende bindevæv i forhold til det.

Vi udførte undersøgelser af effekten af ​​biomaterialer "Biomatrix", "Allomatrix-implant" og "Osteomatrix" på osteoreparation på modellen for segmentel osteotomi i henhold til almindeligt accepterede metoder (Katthagen B.D., Mittelmeeir H., 1984; Schwarz N. et.al. ., 1991). I forsøget blev der brugt kaniner af racen Chinchilla med en vægt på 1,5-2,0 kg, som under intravenøs anæstesi undergik segmental osteotomi af radius.

To måneder efter operationen blev der noteret dannelse af nyt knoglevæv i implantationszonen. På fig. 3 resultatet af histomorfologisk undersøgelse af materialet "Allomatrix-implantat" efter 2 måneder. efter operationen. I den proksimale zone af defekten er veludviklet ungt knoglevæv synligt. Osteoblaster støder op til knoglebjælker i stort antal.

I det interstitielle stof findes ostecytter i lakunerne, der dannes tæt pakkede kollagenfibre i det nye knoglestof. Det interstitielle stof med aktive celler er veludviklet. Implantatområdet (ovenfor og til venstre) genopbygges aktivt.

Generelt er der accelereret knoglemodning omkring implantatområdet.

Derudover viste det sig, at den porøs-cellulære struktur af knoglekollagen ikke kun giver vedligeholdelse af volumen i defekten på grund af dens elastiske egenskaber, men også den optimale mulighed for indvækst af bindevævsceller i det, udvikling af blod kar og dannelsen af ​​knogle ved udskiftning af denne defekt.

Definition Et af de områder inden for bioteknologi, der beskæftiger sig med skabelsen af ​​biologiske erstatninger for væv og organer. Beskrivelse Oprettelse af biologiske vævserstatninger (graft) omfatter flere stadier: 1) selektion og dyrkning af eget eller donors cellemateriale; 2) udvikling af en speciel bærer til celler (matrix) baseret på biokompatible materialer; 3) påføring af cellekulturen på matrixen og celleformering i en bioreaktor med særlige dyrkningsbetingelser; 4) direkte indføring af transplantatet i området af det berørte organ eller foreløbig placering i et område, der er godt forsynet med blod til modning og dannelse af mikrocirkulation inde i transplantatet (præfabrikation). Cellulært materiale kan repræsenteres af regenererede vævsceller eller stamceller. For at skabe matricer af grafter anvendes biologisk inerte syntetiske materialer, materialer baseret på naturlige polymerer (chitosan, alginat, kollagen) samt biokompositmaterialer. For eksempel opnås knoglevævsækvivalenter ved rettet differentiering af stamceller fra knoglemarv, navlestrengsblod eller fedtvæv. Derefter påføres de resulterende osteoblaster på forskellige materialer, der understøtter deres deling - donorknogle, kollagenmatricer, porøs hydroxyapatit osv. Levende hudækvivalenter, der indeholder donorceller eller egne hudceller, er i øjeblikket meget brugt i USA, Rusland og Italien. Disse designs forbedrer helingen af ​​omfattende forbrændingsflader. Udviklingen af ​​transplantater udføres også i kardiologi (kunstige hjerteklapper, rekonstruktion af store kar og kapillærnetværk); at genoprette åndedrætsorganerne (strubehovedet, luftrøret og bronkierne), tyndtarmen, leveren, urinvejsorganerne, endokrine kirtler og neuroner. Brugen af ​​stamceller er meget udbredt inden for vævsteknologi, men har både etiske (embryonale stamceller) og genetiske begrænsninger (malign deling af stamceller forekommer i nogle tilfælde). Nylige undersøgelser har vist, at det ved hjælp af genteknologiske manipulationer er muligt at opnå de såkaldte pluripotente stamceller (iPSc) fra hudfibroblaster, der i deres egenskaber og potentiale ligner embryonale stamceller. Metal nanopartikler i vævsteknologi bruges til at kontrollere cellevækst ved at udsætte dem for magnetiske felter i forskellige retninger. For eksempel var det på denne måde muligt at skabe ikke kun analoger af leverstrukturer, men også sådanne komplekse strukturer som elementer i nethinden. Også nanokompositmaterialer giver nanoskala overfladeruhed af matricer til effektiv dannelse af knogleimplantater ved hjælp af elektronstrålelitografi (EBL) metoden. Skabelsen af ​​kunstigt væv og organer vil gøre det muligt at nægte transplantation af de fleste donororganer, forbedre patienternes livskvalitet og overlevelse. Forfatterne

• Boris Naroditsky, doktor i biologiske videnskaber
• Nesterenko Lyudmila Nikolaevna, ph.d.

1. Nanoteknologier i vævsteknologi / Nanometer. - URL: http://www.nanometer.ru/2007/10/16/tkanevaa_inzheneria_4860.html (tilganget 10/12/2009)
2. Stamcelle / Wikipedia - den frie encyklopædi. URL: ttp://ru.wikipedia.org/wiki/Stem Cells (Få adgang 10/12/2009)

Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology. - Rusnano. 2010 .

Se, hvad "vævsteknik" er i andre ordbøger:

vævsteknik- Metoder til at kontrollere kropsceller for at danne nyt væv eller udtrykke biologisk aktive stoffer. Bioteknologiske emner EN vævsteknik … Teknisk oversætterhåndbog

Term bioengineering Engelsk term bioengineering Synonymer biomedicinsk teknik Forkortelser Tilknyttede termer bionedbrydelige polymerer, biomedicinske mikroelektromekaniske systemer, biomimetik, biomimetiske nanomaterialer, … …

Begreb biomimetiske nanomaterialer Engelsk udtryk biomimetiske nanomaterialer Synonymer biomimetik, biomimetik Forkortelser Tilknyttede termer proteiner, bionedbrydelige polymerer, bioteknik, biomimetik, biokompatibilitet, biokompatibel… … Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Vadim Sergeevich Repin Fødselsdato: 31. juli 1936 (1936 07 31) (76 år gammel) Fødested: USSR Land ... Wikipedia

- (latinsk placenta, "kage") et embryonalt organ i alle moderkagehunlige pattedyr, nogle pungdyr, hammerhovedfisk og andre levende bruskfisk, samt viviparøse onychophora og en række andre grupper af dyr, hvilket tillader ... ... Wikipedia

Indeholder nogle af de mest fremragende aktuelle begivenheder, resultater og innovationer inden for forskellige områder af moderne teknologi. Nye teknologier er de tekniske innovationer, der repræsenterer progressive ændringer inden for et område ... ... Wikipedia

Artikler amfifile biologisk nedbrydelige polymerer biologisk membran biologiske motorer biologiske nanoobjekter Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Artikler"to-sidet" partikelaktmotorerbiologiskeeret på nanomaterialerhydrogenbinding … Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Artikler"bløde" kemibiologiske membranerbiomimetiske biomimetiske nanbelægningertolagsgenteknikhybridmaterialerDNADNA mikrochipgenleveringshætte … Encyclopedic Dictionary of Nanotechnology

Dette er en serviceliste over artikler oprettet for at koordinere arbejdet med udviklingen af ​​emnet. Denne advarsel varer ikke ... Wikipedia

Bøger

• Tissue Engineering, Breathe Deep show kreativt team. En fundamentalt ny tilgang - celle- og vævsteknologi - er den seneste bedrift inden for molekylær- og cellebiologi. Denne tilgang har åbnet op for brede perspektiver for at skabe ... lydbog