Забор биоматериала что это


Правила забора биологического материала

 Решение о необходимости  исследовать ту или иную локализацию (влагалище, уретра, цервикальный канал и др.) для анализа принимает лечащий врач на основании совокупности жалоб пациентки (та) и клинической картины заболевания.Для получения  объективного результата необходимо, чтобы  исследуемый клинический  материал содержал возможно большее количество  эпителиальных клеток и минимальное  количество слизи и примеси  крови  (допустимо умеренное присутствие примесей в виде крови и слизи). Неправильное взятие биоматериала может  привести к невозможности получения  достоверного результата и, вследствие этого , необходимости повторного взятия  биоматериала.

Порядок взятия клинического материала в пробирку с транспортной средой:

1. Открыть  крышку пробирки.

2. С помощью  одноразового стерильного зонда получить  отделяемое соответствующего

биотопа  (влагалище, уретра, цервикальный канал).

3.Перенести  зонд с клиническим материалом  в пробирку с  транспортной средой  объемом 1,5 мл, когда зонд упрется в дно пробирки, дополнительным усилием согнуть тонкую часть зонда до насечки, затем отломить и оставить зонд в пробирке .При необходимости получения клинического  материала из нескольких биотопов повторить процедуру,  каждый раз забирая клинический материал новым  зондом в новую пробирку.

3. Пробирку плотно  закрыть крышкой, промаркировать.

Особенности взятия клинического материала цервикального  канала:

1.Клинический материал цервикального канала получают  после введения во влагалище гинекологического  зеркала с помощью  уретрального зонда или цервикальной цитощетки  (для исследования на ВПЧ необходимо достаточное количество эпителиальных клеток!).

2.Перед взятием клинического материала необходимо  тщательно обработать отверстие цервикального  канала с помощью стерильного  марлевого тампона и затем  обработать шейку  матки стерильным физиологическим раствором.

3.После введения уретрального зонда в  шеечный канал на 1,5 см  его вращают несколько раз (2-3 полных оборота по часовой стрелке) и извлекают . При извлечении  зонда необходимо  полностью исключить  его касание стенок  влагалища.

4. Полученный  клинический материал помещается в  пробирку с транспортной  средой (см. выше).

Особенности взятия клинического материала из влагалища:

В день обследования  женщины не должны проводить  туалет половых органов и  спринцевание влагалища.

1. Клинический  материал из влагалища получают  с заднего или  боковых сводов с помощью  вагинального или уретрального зонда  путем соскоба с поверхности эпителия.

2. Клинический  материал должен быть  получен ДО проведения  мануального исследования.

3. Перед  манипуляцией гинекологическое зеркало можно  смочить теплой водой, применение  антисептиков для обработки зеркала  противопоказано.

4. У девочек  (virgo) клинический материал получают  со слизистой оболочки  преддверия влагалища  без использования гинекологического зеркала.

5. Полученный клинический материал помещается  в пробирку с транспортной  средой (см. выше).

Особенности взятия клинического материала из уретры у женщин:

1. Клинический  материал из уретры  получают с помощью уретрального  зонда.

2.Перед взятием клинического материала  пациентке рекомендуется воздержаться от мочеиспускания  в течение 1,5-2  часов.

3. При  наличии свободных уретральных выделений наружное отверстие уретры следует очистить  с помощью ватного тампона.

4. При отсутствии  свободных выделений может быть  проведен легкий массаж уретры.

5. После  введения инструмента в уретру  на глубину 1 см  необходимо продвигать его к наружному  отверстию, слегка нажимая на заднюю  и боковые стенки уретры (вращательные  движения болезненны).

6. Полученный  клинический материал помещается в  пробирку с транспортной средой(см. выше).

Для исследования материала ,полученного из нескольких биотопов, процедуру повторяют, каждый раз используя новый стерильный зонд и новую пробирку!!!

Недопустимо смешивать материал из   цервикального канала, влагалищного содержимого и уретры  в одной пробирке!

 Особенности взятия клинического материала из уретры у мужчин:

Перед взятием биоматериала пациенту рекомендуется воздержаться     от     мочеиспускания     в     течение

1,5–2 часов. Для исключения искажений результатов определения состава микрофлоры урогенитального тракта мужчин из-за присутствия в урогенитальном тракте транзиторной микрофлоры в течение трёх дней перед взятием биоматериала рекомендуется половое воздержание или использование защищенного полового контакта.

1.Перед взятием соскоба из уретры обрабатывают головку полового члена в области наружного отверстия уретры тампоном, смоченным стерильным физиологическим раствором.

2.Производят массаж уретры. При наличии свободно стекающих из уретры выделений удаляют их сухим тампоном.

3.Вводят зонд в уретру на глубину 1-2 см. Несколькими вращательными движениями производят соскоб эпителиальных клеток и переносят зонд в пробирку с транспортной средой, обламывают и оставляют. Отделяемое забирают в достаточном количестве. Допустимо умеренное присутствие примесей в виде слизи, крови и гноя.

Взятия клинического материала с крайней плоти головки полового члена (ГПЧ):

Перед взятием биоматериала пациенту рекомендуется воздержаться     от     мочеиспускания     в     течение

1,5–2 часов.

1.С помощью одноразового зонда делают  соскоб эпителиальных клеток из соответствующего биотопа (крайняя плоть головки полового члена, препуциальный мешок)  и переносят зонд в пробирку с транспортной средой, обламывают и оставляют.

Условия хранения и транспортировки биоматериала:

1. Пробирки с полученным клиническим материалом должны быть промаркированы.

2. В сопроводительном документе-направлении необходимо указать: ФИО, возраст пациентки (та), клинический материал, предполагаемый диагноз, показания  к обследованию, дату и время взятия пробы, наименование учреждения (подразделения), направляющего клинический материал.

3. Если время транспортировки клинического материала от момента взятия до момента его доставки в лабораторию не более суток, то пробирку с клиническим материалом необходимо хранить и доставлять в лабораторию при температуре бытового холодильника (+ 4+10°С), не замораживая.

4. В случае невозможности доставки клинического образца в лабораторию в течение суток, допускается однократное замораживание и хранение образца клинического материала при температуре  -20°С до одного месяца.

Биоматериалы

NIBIB финансирует исследования, направленные на изучение функций и биосовместимости биоматериалов.

Биоматериалы, предназначенные для выполнения функции

Биоинженеры измеряют функцию биоматериала по тому, насколько хорошо он выполняет определенное действие и как он будет использоваться. Система заживления ран должна способствовать росту кожи и образованию кровеносных сосудов. Материал для замены кости должен поддерживать прикрепление клеток и способствовать росту костей.

Новое семейство фиброзных белковых систем
Стволовые клетки не являются специализированными, поэтому они могут переходить в любой конкретный вид клеток при правильных условиях.Биоматериалы можно использовать для контроля судьбы и функции стволовых клеток. Исследователи, финансируемые NIBIB, работают над объединением шелка с тропоэластином, высокоэластичным и динамичным структурным белком, для создания панели белковых биоматериалов. Эти материалы должны имитировать эластичность различных тканевых структур и, следовательно, контролировать биологическую функцию, в частности дифференцировку стволовых клеток.

Пластырь для использования в качестве герметика для легких
Герметики и пластыри из биоматериалов позволяют поврежденной ткани регенерировать и заживать.Исследователи, финансируемые NIBIB, изучают возможность использования альгината, полученного из бурых водорослей, в качестве герметика и терапевтического пластыря для лечения утечек в легких в результате хирургического вмешательства, травмы или таких состояний, как пневмония и кистозный фиброз. После сублимационной сушки альгинат наносится на рану и регидратируется из собственной воды организма. Предварительные испытания многообещающие, показывающие, что пластырь может выдерживать давление, подобное легкому, эффективно лечить утечки в легких и способствовать регенерации легочной ткани.

Умная повязка на рану - тонкая и гибкая с набором датчиков pH, термочувствительными носителями для лекарств и встроенным контроллером.Источник: Лаборатория Хадемхоссейни, Гарвард-Массачусетский технологический институт.

Умная повязка для лечения хронических диабетических язв

Пациенты с диабетическими язвами, которые не заживают, испытывают снижение качества жизни, инфекции, ампутации и смерть. Исследователи NIBIB разрабатывают умную повязку на рану, которая может доставлять кислород и биохимические факторы, способствующие развитию кровеносных сосудов, при мониторинге заживления. Сочетая в себе электронику, заживление ран, микротехнологию, биоматериалы и доставку лекарств, повязка объединяет датчики и исполнительные механизмы, тесно контактирующие с кожей.Ожидается, что это будет способствовать заживлению, уменьшая ненужные перевязки и посещения медицинских учреждений.

Лазерная сварка и восстановление разорванных тканей
Четверть пациентов, перенесших операцию по воссоединению сегментов толстой кишки, испытывают последующее протекание раны. Исследователи, финансируемые NIBIB, используют метод лазерной сварки для восстановления толстой кишки в качестве альтернативы наложению швов или скоб. В этой процедуре используются фототермические нанокомпозиты - наноразмерный материал и золотые стержни, встроенные в матрицу, которая при нагревании лазером может сливаться с разорванными тканями.

Гидрогель от ожогов растворяется, так как способствует заживлению ран. Источник: лаборатория Grinstaff, Бостонский университет.

Растворимая повязка для лечения ожогов
Пациенты с ожогами испытывают острую боль при снятии повязки. Современные клинически одобренные повязки прилипают к поверхности раны, травмируя вновь образованные ткани и замедляя заживление. Исследователи, финансируемые NIBIB, разрабатывают гидрогелевую повязку, которая автоматически растворяется, создает барьер для инфекции и способствует заживлению.Растворяясь в безопасных побочных продуктах контролируемым образом, гидрогель позволяет по требованию снимать повязку и повторно обнажать рану без необходимости механической обработки раны и разрезания, что приводит к более легкому и менее травматичному лечению.

Цинковый стент растворяется и устойчив к коррозии. Фото . Сара Берд, Технологический институт штата Мичиган.

Стенты из растворимого цинка
Металлические стенты обычно используются для того, чтобы кровеносные сосуды оставались открытыми, но стенты могут вызвать долгосрочные осложнения, включая повторное сужение сосуда, образование тромбов и кровотечение.Исследователи, финансируемые NIBIB, разрабатывают биоабсорбируемый цинковый стент, который со временем безвредно разрушается, сводя к минимуму обычные хронические риски, связанные с постоянными стентами. Ранние испытания рассасывающихся цинковых стентов были многообещающими.

Автономный источник питания для имплантируемых биомедицинских устройств
Срок службы биомедицинского устройства равен сроку его работы от батареи. Исследователи, финансируемые NIBIB, стремятся преодолеть это ограничение, собирая энергию человеческого тела для питания имплантируемых биомедицинских устройств.В настоящее время они изучают инновационные нанотехнологии для разработки ультратонких, легких, растяжимых и биосовместимых мембран. Мембраны могут эффективно и незаметно преобразовывать механическую энергию, генерируемую в человеческом теле, в электрическую, что приводит к автономному источнику питания.

,

биоматериал

Рекомендуемые дополнительные знания

Введение

Разработка биоматериалов - это не новая область науки, существующая уже около полувека, ее исследование называется биоматериаловедение. Это захватывающая область науки, которая на протяжении всей своей истории переживает устойчивый и сильный рост благодаря таким компаниям, как Smith и Nephew, инвестирующим большие суммы денег в новые продукты.Наука о биоматериалах охватывает элементы медицины, биологии, химии и материаловедения.

Определение биоматериала

Определение биоматериала было сложно сформулировать, широко принятое определение биоматериала таково:

" Биоматериал - это любой материал, природный или созданный руками человека, который составляет целиком или частично живую структуру или биомедицинское устройство, которое выполняет, увеличивает или заменяет естественную функцию ".

В 1987 году Уильямс определил биоматериал как:

Биоматериал - это нежизнеспособный материал, используемый в медицинском устройстве, предназначенный для взаимодействия с биологическими системами. [1]

Биоматериал - это, по сути, материал, который используется и адаптирован для медицинского применения.Биоматериалы могут иметь доброкачественную функцию, например, использоваться для сердечного клапана, или могут быть биоактивными и использоваться для более интерактивных целей, таких как имплантаты бедра, покрытые гидроксиапатитом (Furlong Hip от Joint Replacement Instrumentation Ltd, Шеффилд является одним из таких пример - такие имплантаты служат более двадцати лет). Биоматериалы также используются каждый день в стоматологии, хирургии и доставке лекарств (конструкция с пропитанными фармацевтическими продуктами может быть помещена в организм, что может обеспечить пролонгированное высвобождение лекарства в течение длительного периода времени).

Определение биоматериала включает не только искусственные материалы, состоящие из металлов или керамики. Биоматериал также может представлять собой аутотрансплантат, аллотрансплантат или ксенотрансплантат, используемый в качестве материала для трансплантата.

Применение биоматериалов

Биоматериалы используются в:

  • Замена суставов
  • Костные пластины
  • Костный цемент
  • Связки и сухожилия искусственные
  • Зубные имплантаты для фиксации зубов
  • Протезы кровеносных сосудов
  • Сердечные клапаны
  • Устройства для ремонта кожи
  • Кохлеарные замены
  • Контактные линзы

Биоматериалы должны быть совместимы с организмом, и часто возникают проблемы биосовместимости, которые необходимо решить, прежде чем продукт можно будет разместить на рынке и использовать в клинических условиях.Из-за этого к биоматериалам обычно предъявляются те же требования, что и к новым лекарственным препаратам. Все компании-производители также обязаны обеспечивать отслеживаемость всех своих продуктов, чтобы в случае обнаружения дефектного продукта можно было отследить другие в той же партии.

Составные части науки о биоматериалах

Материал не должен быть токсичным, если он специально не разработан (например, «умные» системы доставки лекарств, которые нацелены на раковые клетки и разрушают их).

Биосовместимость сложно измерить, она определяется с точки зрения успеха в решении конкретной задачи.

  • Функциональная структура ткани и патобиология

Понимание анатомии и физиологии места действия необходимо для того, чтобы биоматериал был эффективным.

Исцеление - важный фактор при использовании биоматериалов. После применения в организме может возникнуть так называемая реакция на инородное тело, поэтому может потребоваться иммуносупрессия.

  • Зависимость от анатомических участков имплантации

При проектировании важно убедиться, что орудие идеально подходит и оказывает положительное влияние на конкретную анатомическую область действия.

  • Механические и эксплуатационные требования

Биоматериалы, которые работают механически, должны соответствовать определенным стандартам и выдерживать давление. Поэтому очень важно, чтобы все биоматериалы были хорошо разработаны и протестированы.Биоматериалы, которые используются в механических приложениях, такие как имплантаты бедра, обычно разрабатываются с использованием CAD (компьютерного проектирования), который позволяет рассчитать все направленные напряжения, обеспечивая максимальный срок службы продукта.

Компании и исследователи раздвигают границы и развитие науки в целом, и биоматериалы не исключение.

Этические соображения имеют первостепенное значение, равно как и юридические соображения и соблюдение закона.

Как упоминалось выше, производитель продукта должен хранить правила и записи намного дольше, чем срок его службы.


Биоматериал может также относиться к:

Биологический материал :

Основная страница значений: Биологический материал
  • Биологическая ткань, или просто ткань
  • Биомасса, живое или мертвое биологическое вещество, часто растения, выращиваемые в качестве топлива
  • Биомасса (экология), общая масса живого биологического вещества
  • Биоматериал
  • Биомолекула, химическое соединение, которое естественным образом встречается в живых организмах.
  • Биотический материал от живых существ
  • Биологический материал, переработанный биотический материал
  • Клеточный компонент, материал и вещества, из которых состоят клетки (и, следовательно, живые организмы)
  • Органический материал (или органическое вещество), полученный из живых существ или содержащий углерод
  • Жизнеспособный материал, способный жить, развиваться или прорастать при благоприятных условиях. Ratner, BD et al. Наука о биоматериалах, 2-е издание. Академическая пресса Elsevier. 2004. p2
  • .
.

Что такое биоматериалы? (с иллюстрациями)

Биоматериалы - это материалы, которые используются в тесном или прямом контакте с телом для увеличения или замены дефектных материалов. Биоматериалы должны быть совместимы с телом, чтобы организм не отвергал их. Однако в некоторых случаях биоматериалы, такие как трансплантаты органов, действительно вызывают отторжение, с которым можно бороться с помощью лекарств против отторжения.

Кожные трансплантаты обычно используются для покрытия больших участков обожженной кожи.

Однако биоматериалы не обязательно должны быть живыми или некогда живыми материалами. Они также могут быть синтетического происхождения. Например, шунты и кардиостимуляторы считаются биоматериалами. Шунты Gore-tex® являются отличным примером биоматериалов, используемых для обхода закупоренных артерий или обеспечения новых путей для кровеносной системы. Они имеют преимущество в том, что они остаются здоровыми и не распадаются. Однако, поскольку они не живые, такие шунты, устанавливаемые у детей, могут перерасти и потребовать замены.

Биоматериалы могут быть взяты из трупа.

Некоторые биоматериалы имеют органическую природу.К ним относятся такие материалы, как коллаген или жир, часто используемые в пластической хирургии. Другие биоматериалы могут включать артерии или сосуды, взятые либо из трупов, либо из источников свиньи, то есть свиньи, или крупного рогатого скота, что означает корова. При замене большого сердечного клапана часто выбирают между гомографом, взятым из трупного источника, или из аллографа, взятого у свиньи или коровы. Дополнительный выбор - искусственный клапан, например, из Gore-tex®.

Биоматериалы могут использоваться для восстановления костей или суставов после перелома или другой травмы.

Многие хирурги предпочитают органические биоматериалы неорганическим. Однако ни один из этих биоматериалов не будет расти вместе с телом. Гомографы и аллографы также имеют немного более низкую скорость свертывания крови, чем искусственные клапаны, и поэтому могут быть предпочтительны хирургами или пациентами.

Трансплантация органов считается биоматериалом.

Другие биоматериалы включают определенные металлы, которые могут быть использованы при реконструкции костей или суставов. Например, металлические шарнирные опоры можно использовать в коленях или бедрах и, как правило, обеспечивают отличную поддержку тем, кому требуется замена сустава.

Биоматериалы могут использоваться в пластической хирургии.

Некоторые биоматериалы действительно живые. В частности, это касается трансплантации органов. Ожидается, что органы будут расти и развиваться вместе с телом и являются лучшей заменой, чем неживые источники. В некоторых случаях неживой источник, такой как искусственное сердце или вспомогательное устройство левого желудочка (LVAD), используется, пока люди ждут трансплантации сердца. Эти искусственные замены, как правило, не работают в течение длительного периода времени, хотя они могут предоставить кому-то дополнительные дни или даже несколько месяцев, которые им нужны, пока он ожидает трансплантации.

Другие распространенные биоматериалы используются в пластической хирургии. Имплантаты икр, груди, щек, подбородка и ягодиц считаются биоматериалом. Иногда пластические хирурги берут жир или кожу с тела пациента, чтобы использовать их в другой части тела. Графики кожи часто используются для покрытия рубцов, и они наиболее полезны при покрытии больших участков обожженной кожи, которые не способствуют регенерации новой кожной ткани.

Одним из наиболее интересных кожных биоматериалов, использованных в последнее время, была первая пересадка лица, выполненная хирургами во Франции. Женщина, получившая трансплантат, получила частичную пересадку лица, включая новые губы и новый нос, в 2005 году. До сих пор ее тело не отвергло эту пересадку.Эта первая успешная трансплантация может оказаться особенно полезной для тех, чье лицо подверглось тяжелой и непоправимой травме.

Некоторые биоматериалы получают от свиней и других животных. ,

Инновационные биоматериалы для тканевой инженерии

1. Введение

Перспективная область тканевой инженерии (ТЕ) направлена ​​на восстановление поврежденных тканей путем комбинирования клеток с биомиметическими материалами, способными действовать как шаблоны для регенерации тканей и стимулировать рост новых тканей. Термин «тканевая инженерия» был официально задуман на семинаре Национального научного фонда в 1988 году как «применение принципов и методов инженерии и наук о жизни для фундаментального понимания взаимосвязей структура-функция в нормальных и патологических тканях млекопитающих и развития биологических заменители для восстановления, поддержания или улучшения функции тканей »[1].

Согласно определению Лангера и Ваканти, тканевая инженерия - это « междисциплинарная область исследований, которая применяет принципы инженерии и науки о жизни для разработки биологических заменителей, которые восстанавливают, поддерживают или улучшают функцию тканей » [2] ,

Тканевая инженерия - это многодисциплинарная область, которая объединяет несколько областей, включая клиническую медицину, машиностроение, материаловедение, генетику и смежные дисциплины, как с инженерией, так и с науками о жизни.Эта область основана главным образом на использовании биомиметических материалов (трехмерных каркасов), которые обеспечивают не только подходящую среду для новой развивающейся ткани, но также предлагают структуру для клеточной адгезии, пролиферации и отложения внеклеточного матрикса (ЕСМ) до тех пор, пока новая ткань не будет полностью сформирована. восстановлен [3]. Кроме того, каркасы часто сочетаются с клетками и сигнальными молекулами или факторами роста, представляющими ключевые элементы тканевой инженерии.

2. Биоматериалы для тканевой инженерии

Первое определение биоматериала было разработано в 1980-х годах во время конференции по разработке консенсуса (Честер, Великобритания, 1982), на которой биоматериалы были определены как « любое вещество, кроме лекарства, или комбинация веществ синтетического или природного происхождения, которые можно использовать в течение любого периода времени, в целом или как часть системы, которая лечит, усиливает или заменяет любую ткань, орган или функцию тела » [4].С древних времен люди искали в природе материалы животного или растительного происхождения, способные лечить раны, поддерживать или восстанавливать функции организма. Фактически, древние египтяне и римляне использовали растительные волокна для зашивания повреждений кожи, и они могли моделировать деревянные протезы конечностей. Позже промышленная революция позволила разработать серию синтетических биоматериалов (сначала металлы, а затем полимеры) с характеристиками, все более подходящими для разработки медицинских устройств.

В последнее время натуральные и синтетические биоматериалы стали одним из важных элементов регенеративной медицины и стратегий тканевой инженерии.

В настоящее время производятся несколько типов каркасов с множеством производственных систем, но основная проблема тканевой инженерии заключается в выборе подходящих материалов для производства каркасов. С этой целью в настоящее время используются различные типы биоматериалов, такие как природные или синтетические полимеры, керамика, металлы, композиты и гидрогели. Кроме того, при планировании или определении пригодности каркаса важно оценить, соответствует ли он следующим ключевым требованиям: (i) биосовместимость, (ii) биоактивность и (iii) способность к биоразложению.

Основным требованием к каркасу для тканевой инженерии является его биосовместимость или способность способствовать клеточной адгезии, пролиферации и миграции на поверхность и, в конечном итоге, через каркас in vitro и in vivo . Более того, после имплантации он должен интегрироваться в ткань хозяина, не вызывая иммунного ответа, чтобы избежать важной воспалительной реакции, которая может замедлить заживление или вызвать отторжение [5].

Биоактивность представляет собой способность биоматериала взаимодействовать с окружающей тканью, обеспечивая адгезию, пролиферацию и дифференцировку клеток [6].Как правило, биоматериалы с химическим составом, сравнимым с тканью хозяина, обладают более высокой биологической активностью и могут способствовать распознаванию клеток, вызывая специфический клеточный ответ для поддержки роста ткани. С этой целью можно модифицировать поверхность биоматериала, добавляя макромолекулы внеклеточного матрикса, включая коллаген, фибронектин и ламинин, для создания биомиметической среды, эквивалентной природной ткани, способной модулировать клеточное поведение и реакцию [7].

Другим важным свойством каркаса для тканевой инженерии является способность к биологическому разложению.Биомиметические каркасы не являются постоянными имплантатами, но они должны быть биоразлагаемыми, чтобы позволить клеткам производить собственный внеклеточный матрикс. Кроме того, побочные продукты этой деградации также должны быть нетоксичными и легко выводиться из организма, не мешая другим тканям [8]. С другой стороны, критически важно также знать кинетику разложения биоматериала in vivo, чтобы избежать чрезмерно быстрого или медленного выведения. В первом случае каркас не мог выполнять свою функцию поддержки клеток, а во втором он мог вызывать некроз или воспаление [9].

3. Конструкция каркаса: важность структурных и механических свойств

Каркас для тканевой инженерии должен обладать структурными и механическими характеристиками, соответствующими анатомическому участку, в который он должен быть имплантирован, и, кроме того, должен быть достаточно прочным, чтобы его можно было использовать в хирургии. манипуляции при имплантации. Структурные особенности включают макро- и микроструктурные свойства. Макроструктурные свойства относятся к временной трехмерной архитектуре, имеющей решающее значение, которая имитирует ECM и позволяет клетке поддерживать свои природные дифференцированные фенотипы; в то время как микроструктурные свойства относятся к пористости каркаса, форме пор, размеру пор и взаимосвязанности.Механические свойства включают механическую прочность и жесткость.

3.1 Структурные свойства

Микро- и макроархитектура каркаса критически влияет на выживаемость клеток и поверхностную адгезию, а также клеточную пролиферацию, дифференцировку, васкуляризацию и экспрессию специфических генов [10].

Если, с одной стороны, каркас может быть достаточно прочным, чтобы выдерживать физиологическую нагрузку на тело и позволять хирургическое вмешательство во время имплантации, с другой стороны, важно получить пористую структуру, чтобы избежать колонизации клеток.Понятно, что баланс между механической прочностью и высокой пористостью является серьезной проблемой при производстве строительных лесов.

3.1.1 Взаимосвязь пор, пористость и размер пор

Взаимосвязь пор, пористость и размер пор представляют собой очень важные параметры для производства каркасов. Все три функции обеспечивают проникновение в клетки, васкуляризацию, адекватную диффузию питательных веществ и кислорода к клеткам внутри конструкции, а также новообразованный внеклеточный матрикс, обеспечивающий жизнеспособность клеток [5, 11].

В частности, размер пор является ключевым элементом эффективности каркаса. Фактически, поры должны быть достаточно большими, чтобы позволить клеткам проникать и мигрировать внутри каркасной структуры, но также достаточно маленькими, чтобы позволить связывание критического числа клеток одновременно. Поры можно разделить на микропоры (0,1–2 нм), мезопоры (2–50 нм) и макропоры (> 50 нм) в зависимости от их размера. Все каркасы, используемые для тканевой инженерии, могут иметь макропористую структуру с определенным размером пор в зависимости от типа ткани-хозяина.В частности, для роста гепатоцитов и фибробластов требуется размер пор 20 микрон, а для заживления мягких тканей - около 20–150 микрон. Для инженерии костной ткани исследователи предлагают диапазон размеров пор от 200 до 400 микрон.

Наиболее распространенными методами, используемыми для получения пористой структуры, являются вспенивание газа, выщелачивание соли, разделение фаз, спекание и лиофилизация.

3.2 Механические свойства

Каркас для тканевой инженерии должен иметь соответствующую механическую целостность, чтобы он мог обеспечивать поддержку с момента имплантации до полного завершения процесса ремоделирования.

3.2.1 Механическая прочность и жесткость

Механическая прочность зависит от сил связывания, которые удерживают вместе атомы в архитектуре каркаса. Это важный параметр, позволяющий избежать деформации твердой конструкции из-за клеточной нагрузки на каркас или из-за манипуляций с ним.

Другой важной характеристикой поверхности каркаса является жесткость, которая измеряется модулем Юнга. Клетки отвечают на жесткость каркаса через различных механизмов, таких как активация ионных каналов или развертывание белка, и, таким образом, жесткость влияет на пролиферацию и дифференцировку клеток.Hadjipanayi et al. продемонстрировал, что увеличение жесткости свободно плавающего коллагенового матрикса приводит к более высокой скорости пролиферации дермальных фибробластов человека [12].

4. Биоматериалы для производства каркасов

Биоматериалы для тканевой инженерии имеют большое значение для успеха замены или регенерации тканей. Помимо взаимодействия с местом имплантации, они обладают способностью влиять на биологические процессы, важные для регенерации тканей.

Для производства каркасов использовались различные виды биоматериалов, такие как керамика и полимеры, натуральные и синтетические материалы, металлы, композиты и гидрогели.

4.1 Керамика

В течение нескольких десятилетий керамические биоматериалы использовались для восстановления поврежденных частей тела и восстановления скелета.

Керамические биоматериалы - это неорганические соединения природного или синтетического происхождения, которые могут содержать металлические и неметаллические элементы. Эти биоматериалы обычно состоят из поликристаллических твердых частиц, реже из монокристаллов и иногда имеют аморфную структуру.Как правило, их механические свойства, в том числе твердой поверхности, высокой механической жесткости, низкая упругости, низкий коэффициент теплового расширения, химико-физико- рефрактерности, зависят от способа, которым они произведены или извлечены, но их свойство также может зависеть от состава и размера частиц из стартовые порошки.

Керамические каркасы обычно используются в практике регенерации костей, поскольку они обладают высокой биосовместимостью, редко вызывают иммунный ответ и практически не вызывают образование фиброзной ткани вокруг каркаса; вместо этого они остеоиндуктивны, учитывая их высокую способность привлекать клетки из биологической среды и способствовать остеогенной дифференцировке.Хотя керамика обладает этими преимуществами, ее использование в тканевой инженерии ограничено из-за ее хрупкости и медленной деградации [1, 13, 14].

По основным характеристикам их можно разделить на три категории: (а) биоинертная керамика: полностью инертная к биологической среде; (b) рассасывающиеся материалы: подвергаются in vivo деградации в результате фагоцитоза или растворения материала в биологических жидкостях; и (c) биоактивная керамика: способная образовывать химические связи с поверхностью клетки [15].

Наиболее распространенными керамическими биоматериалами, используемыми для регенерации тканей, являются: (1) CaP, включая гидроксиапатит (HA) (Ca 10 [PO 4 ] 6 [OH] 2 ), бета-трикальцийфосфат ( BTF) (Ca 3 [PO 4 ] 2 ), двухфазный фосфат кальция (смесь гидроксиапатита и бета-трикальцийфосфата), (2) биостекло, (3) оксид алюминия (Al 2 O 3 ) и (4) оксид циркония (ZrO 2 ).

Биоматериалы CaP часто выбирают для костного трансплантата, поскольку они имитируют состав костной ткани.Одним из первых керамических биоматериалов, использованных для восстановления скелета, был BTF в 1920 г. Олби и Морринсон [16].

HA может быть натуральным или синтетическим. Природная ГК образуется из определенных видов костей кораллов или быков и может содержать следы других элементов, таких как Mg, Na, CO 3 и F. Синтетическая ГК получают спеканием в плотной или макропористой форме в виде гранул или блоков [17] , Рэй и Уорд, во-первых, показали высокую биосовместимость и биомимикрию синтетической ГК в своем исследовании, в котором они использовали этот материал для инженерии костной ткани длинных костей и подвздошных крыльев собак [18].Позже были проведены многочисленные другие исследования HA. Calabrese et al. в своих исследованиях протестировали композитный двухслойный каркас типа 1 коллаген-HA / Mg для костно-хрящевой регенерации, как in vitro , так и in vivo . Они показали, что комбинация этого каркаса с мезенхимальными стволовыми клетками (МСК), полученными из жировой ткани (hADSC) в присутствии специфических условий дифференцировки, индуцирует остеохондро-дифференцировку как in vitro , так и in vivo [19, 20, 21, 22 , 23].

Биостекло состоит из 45 мас.% SiO 2 , 24,5 мас.% CaO, 24,5 мас.% Na 2 O и 6,0 мас.% P 2 O 5 . Первый (45S5 Bioglass) был разработан Hench , , который использовал его для биомедицинских применений in vitro и in vivo [24].

Материалы биостекла можно синтезировать с помощью различных методов, таких как тиражирование полимерной пены, термическое связывание частиц или волокон и золь-гель обработка. Как и ГК, он подходит для костной трансплантации из-за высокого соотношения кальция и фосфора, способствующего образованию кристаллов апатита на его поверхности после трансплантации.Материалы из биостекла обладают высокой остеоиндуктивностью, контролем скорости разложения и отличной биоактивностью, даже если они могут иметь плохие механические свойства, такие как низкая прочность и ударная вязкость [25, 26].

Оксид алюминия (Al 2 O 3 ) представляет собой керамический биоматериал с кристаллической структурой. Как правило, низкая пористость и уменьшенный размер зерна увеличивают его механическую прочность. Как и другие керамические материалы, оксид алюминия хрупкий, но обладает хорошими трибологическими свойствами, такими как износостойкость.

Диоксид циркония характеризуется полиморфной структурой и имеет твердую поверхность, низкую теплопроводность и высокий коэффициент теплового расширения. Его отличная биосовместимость и высокая разрывная нагрузка делают его хорошим кандидатом для протезирования и костной пластики.

4.2 Полимеры

Различные биологические полимеры, такие как коллаген, альгинат, протеогликаны, хитин и хитозан, были использованы для производства каркасов. Они биосовместимы и биоактивны, способствуя адгезии и росту клеток на своей поверхности.Однако они часто демонстрируют плохие механические свойства и быструю биоразлагаемость, что ограничивает их использование.

Коллаген и его производные являются хорошими кандидатами для костно-хрящевой регенерации, но также для реконструкции сухожилий и связок, поскольку внеклеточный матрикс этих тканей в основном состоит из волокон коллагена 1 типа [27, 28, 29].

Коллагеновые каркасы обладают высокой биологической активностью, обеспечивая отличную адгезию клеток к их поверхности. Однако, поскольку они обладают низкой устойчивостью к механическим воздействиям, их часто сочетают с другими материалами, улучшающими их механические свойства.

Несколько исследований были сосредоточены на использовании коллагеновых каркасов для стратегий тканевой инженерии. Например, Aravamudhan et al., сообщили о производстве и характеристике микронаноструктурированных каркасов на основе целлюлозы и коллагена, обладающих механическими характеристиками, аналогичными характеристикам губчатой ​​кости, которые способствовали хорошей адгезии остеобластов человека к их поверхности. Более того, они прошли процесс постепенного осаждения кальция по сравнению с контрольными полиэфирными микронаноструктурированными каркасами [30].

В другом исследовании Schneider et al. разработал гидрогелевый каркас коллагена I / III и использовал его для посева hMSC, выделенных из костного мозга губчатой ​​головки бедренной кости и из пуповины. При стимуляции средой для остеогенной индукции оба типа клеток показали сопоставимую экспрессию, миграцию и колонизацию остеогенных генов [31]. Коллагеновые каркасы также могут быть использованы для доставки факторов остеогенной дифференцировки, как продемонстрировано Lu H. et al, , которые иммобилизовали BMP4 в гибридном каркасе коллаген-PLGA для стимулирования остеогенеза [32].

Полисахариды, такие как хитин, хитозан и альгинат, подходят для регенерации как твердых, так и мягких тканей. В частности, хитозановые каркасы могут быть изготовлены методом сублимационной сушки, что позволяет получить пористые каркасы с высокой степенью взаимосвязанности пор. Хитозан обеспечивает хорошую клеточную адгезию и благодаря своим положительным зарядам может взаимодействовать с гликозаминогликанами и протеогликанами, присутствующими в живых тканях. Costa-Pinto et al. культивированных МСК костного мозга человека на пористых хитозановых каркасах на основе расплава с использованием среды для остеогенной дифференцировки.Они обнаружили повышение жизнеспособности клеток и активности ЩФ через 21 день. Они также исследовали способность засеянного клетками каркаса восстанавливать черепные дефекты у мышей, и через 8 недель после имплантации образование кости в каркасе было проанализировано с помощью Bone μCT [33]. Хитозан также можно использовать в качестве биоматериала для инъекций, как продемонстрировали Bi et al., , которые создали композитный каркас из трикальцийфосфата (TCP), хитозана и плазмы, богатой тромбоцитами (PRP). МСК, высеянные на инъекционный биоматериал, использовали in vivo для проверки его способности восстанавливать переломы костей бедренной кости козла [34].

Синтетические полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения, состоящие из ряда мономерных единиц. По своей структуре они могут быть линейными, разветвленными или сшитыми. По своим термомеханическим свойствам они термопластичны или термореактивны. Полимерные материалы могут быть произведены в форме волокон, пленок, брусков и вязких жидкостей, и они предлагают важное преимущество, заключающееся в изменении их механических свойств и биоразложения путем изменения процесса синтеза и используемых реагентов.Однако они могут иметь низкую биосовместимость и механическую прочность и проявлять in vivo токсичность из-за высвобождения ионов и других остаточных частиц полимеризации.

Среди различных синтетических полимеров наиболее подходящим для производства каркасов является биоразлагаемый. Эти виды полимеров подвергаются разрушению поверхности с образованием нетоксичных низкомолекулярных соединений.

Уже использовались многочисленные синтетические полимеры, такие как: полистирол, термопластичный ароматический полимер с линейной структурой; поли-l-молочная кислота (PLA), гидрофобный полимер с медленной скоростью разложения под действием микроорганизмов; полигликолевая кислота (PGA), гидрофильный полимер с хорошими механическими свойствами и быстрой деградацией; сополимеры поли-dl-молочной и гликолевой кислоты (PLGA), биосовместимые сополимеры с высокой скоростью разложения; и поликапролактон (PCL), высокогидрофобный полимер с хорошей проницаемостью.

В частности, PGA и PLA и их сополимеры представляют собой природные полиэфиры, обычно присутствующие в организме и поэтому хорошо переносимые. Они использовались для изготовления шовных нитей, ортопедических винтов и протезов с 1970 года, а совсем недавно они были оценены с точки зрения производства каркасов и стратегий тканевой инженерии. Об этом Eğri et al. объединил PLA и PGA для получения каркасов PLA-PEG-PLA, способных высвобождать VEGF и BMP-2 при поражении костной ткани. Что касается химического состава, каркас обеспечивает быстрое высвобождение VEGF примерно за 1 неделю и более медленное постоянное высвобождение BMP-2 [35].

4.3 Металлы

Металлы особенно подходят для стратегий тканевой инженерии из-за их хороших механических свойств, таких как высокий модуль упругости, предел текучести и высокая пластичность, позволяющая им выдерживать нагрузку без деформации. Однако если механическое сопротивление делает их отличными кандидатами для изготовления каркасов, снижение адгезии клеток к их поверхности может быть значительным ограничением их использования. Более того, металлические имплантаты могут выделять токсичные ионы металлов и / или частицы, а биологические жидкости могут проявлять коррозионное действие на их поверхность, что может изменить их функцию.Среди различных металлов, используемых для производства строительных лесов, есть нержавеющая сталь, кобальт и титановые сплавы.

Нержавеющие стали - это сплавы на основе железа с низким содержанием углерода и высоким содержанием хрома. Присутствие углерода обеспечивает хорошие механические свойства, но определяет образование карбидов, которые подвергают каркас коррозии в биологической среде.

Сплавы на основе кобальта бывают двух типов: сплав кобальт / хром / молибден, полученный методами литья / плавления, и сплав кобальт / никель / хром / молибден, полученный ковкой.Как правило, высокий уровень хрома и молибдена, типичный для этих сплавов, увеличивает размер гранул и улучшает механические свойства.

Титановые сплавы могут быть альфа, бета или альфа / бета двухфазными. Сплавы Alpha содержат альфа-стабилизаторы, такие как алюминий и галлий, и характеризуются хорошей прочностью, твердостью, сопротивлением скольжению и свариваемостью; Бета Сплавы содержат бета-стабилизаторы, такие как ванадий, ниобий и танталовый молибден, и обладают хорошей пластичностью.Двухфазные сплавы Alpha / beta представляют собой смесь стабилизаторов alpha / beta , и они довольно пластичны, даже если мало устойчивы к высоким температурам, и наиболее подходящим для биомедицинского применения является Ti 6Al 4 V.

Wohlfahrt et al. и др. проверил остеоиндуктивность и остеоинтеграцию каркасов из Ti и TiO2 в периимплантных дефектах большеберцовой кости кролика. Через 4 недели имплант был удален, и наблюдалось образование новой кости. Кроме того, был проведен анализ экспрессии генов с учетом различных маркеров дифференцировки остеогенеза, таких как остеокальцин и коллаген-I [36].

В другом исследовании Zuchuat et al. Компания разработала Cr-Co-Mo мембраны и поместила их в большеберцовые кости кроликов для анализа объема образования новой кости. После эксплантата гистологический анализ показал огромное количество остеобластов и остеоцитов на каркасе [37].

4.4 Композиты

Композитные каркасы разрабатываются из различных биоматериалов, таких как природные или синтетические полимеры (PGA, PLA, желатин, хитин и хитозан), керамика (гидроксиапатит и бета-трикальцийфосфат или биостекла) и металлы.Они имеют технологическое, промышленное и прикладное значение, поскольку сочетают в себе биосовместимость, биоразложение и заметную механическую прочность. Более того, эти виды каркасов могут применяться для регенерации как твердых, так и мягких тканей и в значительной степени имитируют архитектуру ткани, состоящей из клеток и внеклеточного матрикса.

Несколько исследований показали эффективность композитных каркасов (полимеры / керамика и синтетические / природные полимеры) для стратегий тканевой инженерии [38, 39].

Другие исследователи продемонстрировали, что еще одним интересным решением может быть сочетание металлических имплантатов с полимерным покрытием или каркасов металл / керамика [40, 41].

4.5 Гидрогели

Гидрогели представляют собой гидрофильные полимеры, богатые полярными составляющими, такими как карбоксильные, амидные, амино и гидроксильные группы, которые удерживаются вместе химическими связями или физическими внутримолекулярными и межмолекулярными притяжениями. Их главная особенность - способность поглощать огромное количество воды или биологических жидкостей и набухать, не растворяясь.

По своему происхождению гидрогель можно разделить на натуральный (состоящий из полипептидов и полисахаридов), синтетический (полученный традиционной полимеризацией) и полусинтетический. Более того, они могут иметь аморфную или полукристаллическую структуру, которая может быть катионной, анионной, нейтральной или амфолитической. В зависимости от их стабильности в биологической системе они могут считаться прочными, если они не подвергаются химико-физическим модификациям, или биоразлагаемыми, если они распадаются на олигомеры, которые впоследствии выводятся из организма.В последние десятилетия были разработаны интеллектуальные гидрогели, отличающиеся возможностью изменять их структуру и механические свойства в соответствии с факторами окружающей среды, такими как pH или температура. Уже 50 лет назад эти материалы были оценены за их химико-физические характеристики Wichterle и Lim , , которые разработали гидрогель на основе поли (2-гидроксиэтилметакрилата) для контактных линз [42]. Поскольку они имеют мягкую и эластичную консистенцию, очень похожую на консистенцию внеклеточного матрикса различных тканей, их недавно изучали для использования в стратегиях тканевой инженерии.В частности, гидрогели, используемые для производства каркасов, могут отвечать таким важным требованиям, как биосовместимость и контролируемое биодеградация in vivo . Очень важно модулировать такие параметры, как плотность сшивания гидрогеля, пористость, размер пор и взаимосвязь, чтобы получить подходящую структуру для клеточной колонизации и пролиферации. Гидрогели могут быть модифицированы на поверхности пептидами или фактором роста, которые могут способствовать процессу прикрепления и дифференцировки клеток.Как правило, природные гидрогели менее токсичны и более переносимы, чем синтетические, и, например, Паскуи и др. разработали природный гибридный гидрогель целлюлозы и гидроксиапатита для инженерии костной ткани. Для процедуры химического синтеза лиофилизированный гидрогель погружали в раствор, содержащий микрокристаллы ГК, а затем исследование in vitro показало, что человеческие клетки, подобные остеобластам MG63, посеянные в образцах гидрогелей, прилипают и быстро пролиферируют. Более того, повышение активности ЩФ было выявлено через 3, 7 и 14 дней [43].Синтетические гидрогели могут иметь ограничения по биосовместимости, но они дают возможность изменять их механические свойства и скорость разложения в биологической среде. Kinard et al. разработал биоразлагаемый гидрогель олиго [поли (этиленгликоль) фумарат] для доставки деминерализованного костного матрикса (DBM) в дефект кости крысы. Они обнаружили, что скорость разложения in vivo гидрогеля зависит от содержания DBM, чем выше скорость DBM, тем быстрее деградация.Более того, высокое содержание DBM может повлиять на механические свойства гидрогеля, даже если это увеличивает его остеоиндуктивность in vitro и in vivo [44] (Таблица 1).

Таблица 1.

Преимущества, недостатки и основные клинические применения различных видов биоматериалов.

5. Технологии производства каркасов

После выбора биоматериала для производства каркасов очень важно выбрать адекватную технику обработки, которая позволяет поддерживать высокий уровень контроля макро- и микроструктурных свойств. того же самого.Методология обработки должна удовлетворять ключевым требованиям, таким как точность и повторяемость процесса. Полученные каркасы будут иметь поры правильной формы с постоянным размером пор и степенью взаимосвязанности и не должны иметь никаких физико-химических изменений при производстве одним и тем же способом. Более того, условия обработки не должны изменять механические свойства биоматериала, и любой токсичный растворитель, используемый во время процесса, должен быть полностью удален, чтобы не ограничивать клиническое использование каркаса [3, 11].Среди наиболее распространенных методов обработки, вероятно, наиболее известны те, которые предусматривают использование пористого органического или неорганического агента, такого как хлорид натрия, тартрат натрия, цитрат натрия, лимонная кислота или сахароза. Однако использование порогенов ограничивает каркасы тонкими мембранами толщиной 2 мм, чтобы облегчить полное удаление порогенов [45].

Mikos et al. впервые описал отливку из растворителя / выщелачивание частиц, и его выбрали для изготовления пористых каркасов, используемых для инженерии костной ткани.В этом случае пористый агент диспергируют в соответствующем растворителе, а затем дисперсию обрабатывают литьем или сушкой вымораживанием. Этот метод позволяет получать тонкие мембраны с размером пор 30–300 микрометров и пористостью 20–50%, даже если поры имеют смещающуюся форму и межсоединения довольно низки. Однако этот метод имеет некоторые недостатки, такие как трудоемкость (необходимо ждать несколько дней или недель для испарения растворителя) и использование токсичных органических растворителей [46].

При формовании из расплава / выщелачивании частиц неочищенный термопластический полимер смешивают с пористым агентом, а затем смесь выливают в форму соответствующей формы.Затем форму нагревают выше температуры стеклования полимера и, наконец, полученное твердое вещество погружают в растворитель, чтобы ускорить растворение порогенов. Преимущество этой методологии - возможность контролировать размер пор и пористость (обычно 80–84%), варьируя количество порообразных [47]. Хорошим вариантом формования из расплава является экструзия или литье под давлением, предложенные Gomes et al., , которые заменили пористый агент вспенивающим агентом на основе лимонной кислоты.В процессе нагрева вспениватель разлагается с образованием диоксида углерода, который формирует взаимосвязанные поры правильной формы [48].

Газовое вспенивание - это технология обработки под высоким давлением, описанная Муни и др. , которые производили губки из поли (D, L-молочной и гликолевой кислоты) без использования органических растворителей. Твердые диски полимера подвергаются воздействию CO 2 (5,5 МПа) под высоким давлением при комнатной температуре с последующим уменьшением давления газа для уменьшения его растворимости в массе полимера.Он приносит CO 2 , чтобы отказаться от полимера, образуя поры правильной формы [49].

Инверсия фаз / выщелачивание твердых частиц является подходящим методом получения полимерных каркасов. После солюбилизации полимера в подходящем растворителе раствор растворяют в воде, что вызывает осаждение полимера. Очевидно, что можно регулировать характеристики каркасов, полученных с помощью этого метода, изменяя концентрацию полимера, а также температуру раствора. Holy et al. использовал этот метод для разработки пористого каркаса из PLGA с архитектурой, подобной костному трабекуляру, для инженерии костной ткани [50].

Еще один интересный метод - склеивание волокон. Это позволяет получать каркасы, содержащие плотный каркас из синтетических волокон, образующих достаточно пористую трехмерную структуру. Этот метод обеспечивает выравнивание волокон PGA в желаемой ориентации, а затем их покрывают раствором PLLA / хлористого метилена и нагревают выше температур плавления обоих полимеров.Когда PLLA удаляется в процессе растворения, волокна PGA остаются прикрепленными друг к другу, образуя толстую сетку.

В методе сублимационной сушки раствор полимера сначала быстро замораживают при температуре ниже 0 ° C, а затем удаляют растворитель сублимацией в вакууме. Его можно применять для получения как природных, так и синтетических каркасов [51]. Наконец, прогресс компьютерных технологий привел к развитию новых технологий, таких как изготовление твердых тел произвольной формы (SSF), внедрение которых ознаменовало новую эру для обрабатывающей промышленности.Эти методы позволяют создавать трехмерные объекты послойно, исходя из информации, генерируемой системой CAD или компьютерными методами медицинской визуализации. Очевидно, что использование компьютеризированной производственной системы экономит время и обеспечивает предельно точную модуляцию параметров, относящихся к микро- и макроархитектуре строительных лесов.

Первой технологией SFF, использованной для тканевой инженерии, была 3D-печать. В этом методе используется печатающая головка, которая наносит жидкое связующее на тонкие слои порошка в соответствии с формой объекта, созданной системой CAD.Используя этот метод, Kim et al. получили пористые каркасы из PLGA [52], а Zeltinger et al. создал дискообразные каркасы из поли (l-молочной кислоты) с двумя разными пористостями (75% и 90%) и четырьмя разными распределениями пор по размеру (<38, 38–63, 63–106 и 106–150 мкм) [53] ,

Еще одна интересная методология SFF - моделирование наплавленного осаждения (FDM). В этом случае нить из термопластического материала подается и расплавляется внутри нагретой головки ожижителя, а затем вытесняется экструдером и откладывается на платформе.Затем слой за слоем получается трехмерный объект. Изменяя направление осаждения материала для каждого слоя, можно изменять размер пор и взаимосвязь каркаса. Используя эту методологию, Hutmacher et al. получили поликапролактоновые каркасы с сотовой структурой и пористостью 61 +/- 1% и доказали их способность in vitro способствовать пролиферации первичных фибробластов человека и периостальных клеток [54].

6. Биоматериалы для инженерии костной ткани: текущие применения и новые перспективы

Одной из актуальных проблем ортопедической клиники является поражение костей, вызванное травмами, дегенеративными заболеваниями после удаления рака или несращением переломов, которые не заживают спонтанно, а требуют хирургических вмешательств.Сегодня золотым стандартом замены костной ткани является аутологичный костный трансплантат. В этом методе используются клетки одного и того же пациента, обычно взятые из разных участков, таких как малоберцовая кость или гребень подвздошной кости, которые имплантируются в костный дефект для ускорения заживления. Хотя он сводит к минимуму риск аутоиммунного ответа, который был критической стороной ксеногенных трансплантатов, он имеет некоторые недостатки, такие как заболеваемость донорским участком, инфекции и постоперационная хроническая боль [55, 56, 57]. Ввиду этого наука стремится найти инновационные решения, такие как применение биоматериалов в ортопедии, чтобы разработать медицинский имплант, полезный для ускорения заживления и восстановления физиологических функций костей.

Конструкция имплантата для дефектов скелета может учитывать основные характеристики костной ткани, которая делится на две разные формы: кортикальная кость, почти твердая с пористостью менее 10%, и губчатая кость, организованная в виде губчатой ​​структуры с пористостью. 50–60% [58]. Согласно классификации Hanch и Navarro, эволюция устройств для костных имплантатов имела три разных поколения: (а) биоинертные материалы (первое поколение), (б) биоактивные и биоразлагаемые материалы (второе поколение) и (в) биоматериалы. способны вызывать специфические клеточные ответы за счет включения в трехмерный каркас клеток-предшественников кости и факторов роста [59, 60].

Целью имплантатов первого поколения была интеграция с тканью хозяина без вызова специфического иммунного ответа. Эти имплантаты включают металлы (нержавеющая сталь, сплавы на основе Ti и Co – Cr), керамику (натуральный и синтетический HA) и полимеры (силиконовый каучук, полиэтилен, акриловые смолы, полиуретаны, полипропилен PP и полиметилметакрилат).

Второе поколение имплантатов было разработано между 1980 и 2000 годами и призвано улучшить как биологическую активность, так и биоразложение in vivo .С этой целью одна из возможных стратегий заключалась в модификации первого поколения с помощью стратегического покрытия, такого как HA, бета, -трикальций фосфат ( b -TCP) или биоактивное стекло. Другим нововведением было использование природных или синтетических полимеров, таких как поли ( p -капролактон), полилактид, полигликолид и хитозан с контролируемой скоростью биодеградации in vivo .

Третье поколение имплантатов сочетает в себе биоматериалы, полезные для создания трехмерных пористых биоактивных, биоразлагаемых каркасов с интеграцией клеток-предшественников и специфических факторов роста.Это нововведение заложило основы современных стратегий инженерии костной ткани. Даже если идеальная комбинация биоматериалов для производства каркасов еще не определена, недавние исследования продемонстрировали высокую эффективность керамики в имитации химико-физических характеристик ECM костной ткани. Кроме того, наша группа проверила in vitro и in vivo потенциал комбинации коллаген типа 1 / Ha-Mg для ускорения заживления травм костей. Мы продемонстрировали, что хотя биомиметические каркасы « per sè » способны способствовать регенерации тканей благодаря своей высокой остеоиндуктивности, их комбинация с клетками-предшественниками и факторами роста будет более эффективной [19, 20, 21].Как правило, остеогенные клетки, такие как взрослые стволовые клетки (ASC), выделенные из взрослых тканей, таких как костный мозг, жировая ткань или мышцы, являются хорошими кандидатами для трансплантации при поражении скелета вместе с соответствующим каркасом. Эти типы клеток характеризуются высокой способностью к самообновлению и возможностью остеогенной дифференцировки. Более того, было высказано предположение, что ASC обладают иммуносупрессивным действием, что делает их особенно предпочтительными для трансплантации in vivo.

Факторы роста - это цитокины, обычно секретируемые разными типами клеток.Действуя на свои собственные рецепторы, они индуцируют внутриклеточные пути, которые способствуют пролиферации, клеточной адгезии и дифференцировке. Костная ткань продуцирует различные факторы роста, такие как морфогенетические белки костей (BMP), трансформирующий фактор роста бета (TGFb), факторы роста фибробластов (FGF), факторы роста инсулина I и II (IGF I / II) и фактор роста тромбоцитов ( PDGF), которые были предложены для стратегий тканевой инженерии. В частности, BMP2 и 7 были клонированы и коммерчески доступны как рекомбинантные белки.Интерес к ним для практики регенерации костей возрос с 1965 года, когда Урист обнаружил, что деминерализованная кость, трансплантированная в подкожную ткань, вызывает образование кости [61]. Позже этот потенциал был объяснен наличием BMP. Очевидно, что выбор включения фактора роста в каркас требует использования биоматериалов, которые могут действовать как системы доставки лекарств, защищая цитокин от протеолиза in vivo и обеспечивая постепенное и контролируемое высвобождение с течением времени.В этом смысле хорошей альтернативой является физическая иммобилизация фактора роста в биоразлагаемом гидрогеле. В этом случае высвобождение будет контролироваться посредством деградации in vivo гидрогеля, поперечно сшитого с образованием водорастворимых фрагментов гидрогеля [9] (Рисунок 1).

Рисунок 1.

Схематическое изображение инженерии костной ткани.

7. Выводы

В последнее время возрос интерес к натуральным и синтетическим биоматериалам для производства медицинских изделий, и проводятся все более и более глубокие исследования для лучшего выявления их возможных применений, связанных с химико-физическими характеристиками и экстрактивными или синтетические методы, не изменяющие их структурных свойств и биосовместимости.Более того, поскольку стратегии тканевой инженерии стали действенной альтернативой для восстановления структуры и функций тела, биоматериалы также используются для изготовления трехмерных пористых биомиметических биоактивных каркасов с контролируемой скоростью деградации in vivo.

Как упоминалось ранее, основными классами биоматериалов для производства каркасов являются керамика, природные и синтетические полимеры, металлы, композиты и гидрогели. In vitro и in vivo Исследования показали преимущества, связанные с их использованием в области регенеративной медицины, но они также выявили возможные отрицательные стороны.

Что касается применения биоматериалов в тканевой инженерии, то текущая цель науки состоит в том, чтобы найти натуральное или синтетическое вещество или комбинацию с наиболее удовлетворительными характеристиками in vivo, , способными способствовать пролиферации и дифференцировке клеток в пораженной ткани, чтобы восстановить нормальную архитектуру ECM.

В заключение, стратегии тканевой инженерии, особенно в области ортопедической клиники, представляют собой эффективную и продуманную альтернативу на будущее, но их успех строго зависит от все более глубоких знаний о характеристиках биоматериалов и потенциальных возможностях их комбинаций.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

.

Смотрите также