реферат - Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
advertisement
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт фундаментальной Биологии и Биотехнологии Кафедра Микробиологии и биотехнологии РЕФЕРАТ По информационным технологиям в биологии «обзор материалов пригодных для нужд тканевой инженерии » Преподаватель : доц. Суковатая Ирина Егоровна Студент: Васильев К.А . группа ББ11-01 Красноярск 2012 Оглавление 1.Обзор литературы .................................................................................................................................... 2 1.1 Материалы применяемые в медицине и тканевой инженерии....................................................... 2 1.1.1 Полиэтилен. .................................................................................................................................... 3 1.1.2 Полиамиды ..................................................................................................................................... 4 1.1.3 Полиметилметакрилат ................................................................................................................... 4 1.1.4 Политетрафторэтилен .................................................................................................................... 5 1.1.5.Полиуретаны ................................................................................................................................... 5 1.1.6 Полигликолид ................................................................................................................................ 6 1.1.7. Полилактид. ................................................................................................................................... 6 1.1.8. Альгинат ......................................................................................................................................... 7 1.1.9 Гиалуроновая кислота .................................................................................................................... 8 1.1.10 Коллаген ........................................................................................................................................ 8 1.1.11Хитозан [2]...................................................................................................................................... 9 1.12 Полигидроксиалканоаты [9] .........................................................................................................11 Рисунок 1 Пленка с фибробластами ........................................................................................................10 Рисунок 2 пленка с кератиноцитами .......................................................................................................11 1.Обзор литературы 1.1 Материалы применяемые в медицине и тканевой инженерии Для медицины необходимо использовать особые материалы которые обладают высокой биосовместимостью. [3] Этим свойствами часто облают искусственные полимерные материалы, но не только они могут быть использованы в тканевой инженерии, но и ряд природных материалов таких, как например хитозан или коллаген, последний часто используется для создания композитных материалов т.к входит в состав костных тканей человека и следовательно обладает высоким сродством с человеческим организмом. Все применяемые материалы в медицине делятся на биостабильные и биоразрушаемые. В зависимости от этого у них разные сферы применения: Биостабильные материалы применяются для создания различных протезов и других целей долговременного действия. С биоразлагаемыми материалами все несколько сложнее: их часто используют в качестве матриксов для тканевой инженерии, временных штифтов для скрепления костей при переломах и.т.д. Уже сейчас понятно область применения биорезорбируемых (биоразрушаемых) материалов очень широка их дальнейшее исследование крайне важно для медицинских целей. [8] К биостабильным материалам относятся такие материалы, как например полиэтилен,силикон и.др.рассмотрим их с точки зрения их применения для медицины: 1.1.1 Полиэтилен. Полиэтилен имеет следующую химическую структуру: [-СН2-СН2]n Полиэтилен является гидрофобным и биоинертным материалом; имеет низкий предел текучести, что ограничивает сферы применения. С увеличением кристалличности и молекулярного веса предел текучести увеличивается. Полиэтилен низкой плотности распространенный и доступный материал, обладающий высокой биологической инертностью, молекулярной массой 50– 200 Да. Ранее рассматривался как доступный материал для эндопротезирова ния в челюстно-лицевой хирургии, в настоящее время применяется сравни- тельно редко. Полиэтилен высокой плотности имеет более высокую степень кристалличности; применим для создания отдельных типов имплантатов, например его применяют для создания глазных имплантатов. 1.1.2 Полиамиды Полиамиды – (нейлоны) – это полимеры, содержащие связь -CONH-. Как волокна, так и отливки из полиамидов являются частично кристаллическими, в которых амидная связь может образовывать водородные связи с молекулами воды в аморфных областях, приводя к значительному водопоглощению. Водопоглощение приводит, в свою очередь, к пластификации и к заметному изменению механических свойств материала. С начала развития имплантационных методов классические полиамиды рассматривали как материалы, пригодные для изготовления волокон, пленок, сеток медицинского назначения. 1.1.3 Полиметилметакрилат Полиметилметакрилат (ПММА) – это биоинертный, твердый, жесткий, стеклообразный, однако хрупкий полимер с температурой стеклования около 100 °С. Его называют органическим стеклом; это бесцветный прозрачный полимер, при температуре свыше 110 градусов размягчается и переходит в вязкотекучее состояние; легко перерабатывается в различные изделия формированием и литьем под давлением. ПММА – один из наиболее термостойких полимеров: он начинает разлагаться только при температуре свыше 330 градусов С; обладает высокой прочностью. Используется в качестве внутриглазных линз и твердых контактных линз. Также его специфические формы используются в качестве костных цементов в хирургии при замене суставов. [1] 1.1.4 Политетрафторэтилен имеет химическую структуру [-CF2-CF2]n. Это биоинертный, высококристаллический полимер, имеет высокую точку плавления в 330 °С; труден для обработки и придания формы. Способ переработки этого полимера заключается в предварительном спекании частиц и последующей механической обработки до необходимой формы. Он представляет собой волокнистую листовую форму полимера, имеющую широкие сферы применения в качестве мембранного материала. Имеет относительно слабые механические свойства с низким пределом текучести это ограничивает его использование. 1.1.5.Полиуретаны Полиуретаны являются одной из основных групп полимерных материалов, используемых при изготовлении различных имплантатов, а также многих других изделий. Большинство полиуретанов медицинского применения представляют собой двухфазные блок-сополимеры В начальные периоды медицинского применения этих полимеров имели место острые реакции, так как использовали неочищенные образцы полимеров. Все вышеописанные полимеры являются биостабильными и это, как можно увидеть определяет цель их применение в медицине. Что касается биоразрушаемых материалов их описание несколько сложнее т.к их использование зависит от их физико-химических свойств и степени биосовместимости с организмом. Существуют природные биоразрушамые материалы и искусственные. Рассмотрим некоторые из таких материалов с точки зрения их свойств и примения: 1.1.6 Полигликолид Полигликолид [5] (ПГК, английская аббревиатура – PGA) – продукт полимеризации высокого молекулярного веса представляет собой твердый, кристаллический полимер, с температурой плавления порядка 228 °С; температура стеклования составляет 37 °С. Молекулярный вес существенно зависит от условий синтеза и переработки в изделия. Полимер нерастворим в большинстве органических растворителей. Механическая прочность в сочетании с пластичностью делают этот полимер пригодным для изготовления различных конструкций – от нетканых, губчатых материалов до пластин и винтов, применяемых для фиксации костных отломков. Материал не обладает цитотоксическими свойствами, обеспечивает адгезию и поддерживает пролиферацию клеток. Однако механическая прочность имплантированных изделий из ПГК сохраняется в течение непродолжительного периода, от 20 до 30 суток со значительной потерей массы изделия за этот период – до 40–50 %. прочности изделий 1.1.7. Полилактид. По химическим, физическим и биологическим свойствам полилактид [7] близок к полигликолиду. ПЛК уступает многим синтетическим полимерам по теплостойкости (при нагревании свыше 50 °C изделия из него деформируются) и, как следствие этого, не могут быть подвергнуты стерилизации с применением тепловых методов. Полилактид относится к резорбируемым полимерам, для него характерны высокие скорости разрушения в биологических средах. Поэтому время его резорбции в организме исчисляется небольшим периодом (10–12 суток) Быстрое уменьшение молекулярного веса полимера при разрушении приводит к потере прочности конструкций из него. [10] 1.1.8. Альгинат альгинат, получаемый из морских водорослей используют в качестве ранозаживляющего материала. Альгинаты в виде волокон (смесь альгината натрия и кальция) и пленок используют для первичной обработки ран и ожогов. используют в качестве матриксов для культивирования клеток: хондроцитов, стромальных клеток костного мозга. Альгинаты с высоким содержанием гиалуроновой кислоты – это распространенный матрикс для депонирования и доставки модифицированных клеток и тканей, а также лекарственных средств. Альгинат, стабилизированный полилизином, используют для иммобилизации островковых клеток поджелудочной железы (гибридная поджелудочная железа), генетически измененных фибробластов, гематопоэтических клеток костного мозга, паратериоидных клеток, различных клеток, выделяющих моноклональные антитела. 1.1.9 Гиалуроновая кислота Гиалуроновая кислота – гликозаминогликан, естественный компонент межклеточного вещества мягких тканей позвоночных, представляет собой один из перспективных материалов в восстановительной хирургии и тканевой инженерии. Одна молекула гиалуроновой кислоты способна связывать до 1 000 молекул воды. Этот гликозаминогликан используется в медицине при офтальмологических операциях, при болезнях суставов в ортопедии, как барьерные мембраны, ожоговые покрытия,в косметологии. Установлено, что гиалуроновая кислота играет роль в предотвращении фиброза и формировании рубцовой ткани. 1.1.10 Коллаген Распространенным в медицине природным полимерным материалом является коллаген. [4] Этот фибриллярный белок является одним из основных компонентов соединительной, костной и хрящевой тканей, а также соединительной ткани, входящей в состав сухожилий. Недостатком коллагена является нерегулируемое время биодеградации и ограниченный срок функционирования (не более месяца) в условиях живого организма. В настоящее время разработаны методы получения больших количеств коллагена медицинской чистоты. В результате многолетних исследований и дискуссий было принято решение, что достоверного уровня ограничений к имплантационному введению медицинского коллагена животного происхождения не выявлено, несмотря на известные случаи отрицательной реакции на коллагеновые имплантаты. Это послужило основанием для расширения областей применения коллагена в медицине. Области применения коллагена – это создание эндопротезов мягких тканей, компоненты материалов для лечения поражений кожного покрова, в том числе обладающих гемостатическим действием, эндопротезирование жидкостных протоков и эндопротезов компонентов органов зрения, основы шовных волокон. Известны примеры положительной оценки коллагена и для создания имплантатов артериальных сосудов, эндопротезов связок и компонентов нервной системы. 1.1.11Хитозан [2] Среди полисахаридов внимание привлекает хитозан, получаемый гидролизом хитина, который выделяют из панцирей ракообразных. Недостатком хитозанов является известная хрупкость и изменение структуры при стерилизации различными методами, включая радиационный. Доступность хитозанов, способность к биодеградации и биосовместимость позволяют использовать их в качестве перевязочного материала, закрытия ожоговых поверхностей, а также в клеточной и тканевой инженерии в качестве матриксов для выращивания клеток. Хитозан является одним из самых распространенных материалов которые используют в качестве матриксов для тканевой инженерии. При стерилизации не просто меняются его свойства, а так что становиться возможным его применение в качестве матриксов т.к термообработаные пленки обладают свойствами обеспечивающими адгезию распластывание и пролиферацию фибробластов до образования монослоя.Этот материал активно исследуется ведущими институтами цитологии в Санкт-петербурге.( Панарин Е.Ф, Нудьга Л.А, Петрова В.А и.д.р Композиционные матриксы на основе хитина и хитозана для культивирования клеток кожи человека Клеточная трасплонтология и инженерия том V №1 2010 стр. 65-73) В эксперименте был использован использован хитин, полученный из панцирей крабов («Сонат», Москва), подвергнутый дополнительной очистке от солей кальция липидов и протеинов, отмытый водой до нейтральной реакции, Исследование резорбции и влияния трансплантатовна заживление ран проводили на крысах. На спине крысы формировалась модельная рана площадью 1 см2,в которуювставляли силиконовое кольцо такого же размера.Силиконовое кольцо ограничивало приход в рану клеток из тканей животного. Следовательно, заживление могло происходить в основном за счет привнесенных клеток. В качестве контроля использовали два вариантапервый –острая рана вставляли в рану силиконовое кольцо и ждали пока рана затянется сама во втором контроле в рану также вставляли кольцо но в рану имплантировали еще полимерный материал без культивируемых клеток для заживления. В опытный вариант вносили кератиноциты и фибробласты. В качестве резорбируемых матриксов использовали пленки хитозан +10% коллагена и губки хитозан+10%коллагена+2%уксусной кислоты. Рис 1 Пленки с клетками полученными в ходе эксперимента. (Панарин Е.Ф, Нудьга Л.А, Петрова В.А и.д.р Композиционные матриксы на основе хитина и хитозана для культивирования клеток кожи человека Клеточная трасплонтология и инженерия том V №1 2010 стр. 65-73) Рисунок 1 Пленка с фибробластами Рисунок 2 пленка с кератиноцитами Полученные и охарактеризованные композиционные материалы на основе хитозана с добавкой коллагена в виде пленок и губок испытаны в качестве матриц при культивировании клеток c целью получения трансплантатов для заживления ран. Проведенные испытания всех материалов in vitro и in vivo продемонстрировали отсутствиет токсического эффекта на культивируемые клетки и на живую ткань организма. Культивирование фибробластов кожи человека invitro на всехо бразцах в течение 35 сут. не выявило биодеградации ни одного из образцов. Тогда как в условиях in vivo при заживлении ран уже на раннихсроках,через12сут.после трансплантации клеток культивируемых на пленочных материалах , обнаружена полная резорбция матриц. Значительных отличий по состоянию регенерирующей ткани в биоптатах и процессу заживления между разными вариантами материалов не обнаружено. Использование для заживления ран разработанных матриц на основе хитозана и коллагена представляется перспективным. Использование матриц в виде губок может быть оптимальным для приготовления клеточных продуктов в трехмерных конструкциях. 1.12 Полигидроксиалканоаты [9] Как показано выше для тканевой инженерии используются такие материалы как коллаген и хитозан. Их выбирают для этих целей потому что они обладают огромной биосовместимостью т.к являются естественными материалами входящими в состав живого организма. То же можно сказать и про полигидроксиалканоаты. Эти полимеры, также обладают высокой биосовместимостью высокая бисовместимость ПГА, в частности, полигидроксибутирата, связана с тем, что мономеры, образующие этот полимер, – гидроксимасляная кислота – это естественный метаболит клеток и тканей организма; ПГА не гидролизуются в жидких средах, так как деградация ПГА является биологической и происходит клеточным и гуморальным путями; образующиеся при этом мономеры гидроксимасляной кислоты не вызывают резкого закисления тканей и, следовательно, выраженной воспалительной реакции; скорости биорезорбции ПГА значительно ниже, чем полилактидов и полигликолидов, изделия из ПГА в зависимости от формы и места имплантации in vivo могут функционировать до 2–3 лет, боле того, скоростью деградации ПГА можно управлять; ПГА получают методом прямой ферментации, их производство не требует серии технологических этапов (синтез мономеров, полимеризация, добавление пластификаторов и модифицирующих компонентов); сырьем для синтеза ПГА могут быть сахара, органические кислоты, спирты, смеси СО2 и Н2, продукты гидролиза растительного сырья, промышленные отходы производства сахара, пальмового масла, водородсодержащие продукты переработки бурых углей и гидролизного лигнина; ПГА – это семейство полимеров различной химической структуры, ПГА подвергаются переработке из различных фазовых состояний (порошки, растворы, гели, расплавы) общепринятыми методами. С этими полимерами связаны большие надежды, так как помимо тер- мопластичности (аналогично полипропилену и полиэтилену) ПГА обладают антиоксидантными и оптическими свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и характеризуются высокой биосовместимостью. Помимо полигидроксибутирата перспективны сополимерные ПГА, которые в зависимости от набора и соотношения мономеров имеют различные базовые свойства (степень кристалличности, температуру плавления, пластичность, механическую прочность и др.). Интерес к ПГА растет с конца 1980-х годов. Это новый класс биоразрушаемых и биосовместимых полиэфиров, физикохимические свойства которых в зависимости от состава могут существенно варьировать. Сферы применения ПГА в медицине потенциально широки и могут включать изготовление медицинского инструментария и вспомогательных средств (нетканые и одноразовые изделия, шовные и перевязочные материалы), фармакологию (контролируемые системы доставки лекарственных средств), восстановительную хирургию и трансплантологию. Таким образом, круг материалов, создаваемых для применения в медицине, расширяется. В Красноярском институте биофизики СОРАН используют для опытов такой полиоксиалканоат как полиоксибутерат (PHB) и его сополимеры с полиоксивалератом. Кроме этого для тканевой инженерии применяют сополимер полиоксивалерата и полиоксиоктаноата. ПГА изучают во многих институтах связанных с тканевой инженерией, например в Китае активно изучают такой полиоксиалканоат, как полигидроксихеаноат (аббревиатура HHx) В гонконгском политехническом институте был проведен эксперимент который доказал что полигидроксихеаноат пригоден в качестве материала для тканевой инженерии. В эксперименте были использованы пленки из PHB,PLA(полилактид),PHB-co-5%-HHx, PHB-co-12% HHx и PHB-co-20-HHx. [6] Пленки были получены методом полива раствора полимеров (в хлороформе) соответствующих концентраций на чашки Петри при комнатных условиях. Пленки из PLA были использованы в качестве контроля. Далее был проведен анализ на гидрофильность. Это определяли с помощью измерения углов смачивания. Угол был равен от 680 до 850 анализ показал что при изменении концентрации HHx не происходит драматических изменений поверхности. Все PHBHHx пленки были пригодны для культивирования клеток т.к их гидрофобность была больше чем у контроля. Драматические изменения проявились на втором этапе, когда была изучена топография поврхности пленок при помощи электронной микроскопии, стало ясно что 20% HHx слишком большая концентрация для этого сополимера и изменяет топографию поверхности на очень гладкую, то же самое наблюдается в контроле. При меньших концентрациях это не происходит .На фибробласты эти изменения поверхности влияют положительно т.к именно при концентрации 20% HHх был виден самый лучший их рост, В то время как в контроле не выросло почти ничего. С остеобластами ситуация другая: изменения поверхности для них оказываются критическими: при 20% ННх был виден самый худший рост остеобластов ненамного выше чем в контроле. Самой оптимальной для них оказалась концентрация в 12% HHx т.к при этой концентрации поверхность пленок была самой неровной и наблюдался самый высок их рост. Это происходит потому что фибробласты и остеобласты предпочитают разные условия культивирования (фибробласты - матрикс с гладкой поверхностью, а остеобласты с наиболее неровной поверхностью) Незначительные изменения контактного угла увиденные в опыте также обусловлены изменением поверхности. Из этикаиого опыта видна еще одна особенность полиоксиалканоатов как биоматериала – их управляемость т.е способность изменять свои свойства при изменении их компонентного состава т.е например при добавлении полиоксивалерата к полиоксибутерату ( получении сополимера) или при изменении концентрации компонентов входящих в состав сополимера. Это дает полиоксиалканоатам огромное преимущество перед другими биоматериалами список литературы 1. Muhammad Iqbal Sabir , Xiaoxue Xu , Li Li A review on biodegradable polymeric materials for bone tissue engineering applications; Journal of material science (2009) 44:5713–5724 2. Yangzhe Wu , Yi Hu , Jiye Cai , Shuyuan Ma ,Xiaoping Wang Coagulation property of hyaluronic acid–collagen/chitosan complex film; Journal of material science : Mater Med (2008) 19:3621–3629 The Biocompatibility Manifesto: Biocompatibility for the Twenty-first Century; J. of Cardiovasc. 3. Buddy D. Ratner Trans. Res. (2011) 4:523–527 DOI 10.1007/s12265-011-9287-x 4. Marion K. Gordon & Rita A. Hahn: Collagens; Cell Tissue Res (2010) 339:247–257 5. P. K. Nanda, K. K. Rao, R. K. Kar and P. L. Nayak: biodegradable polymers Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 89 (2007) 3, 935–940 6. A. M. Gumel • M. S. M. Annuar • Y. Chisti : Recent Advances in the Production, Recovery and Applications of Polyhydroxyalkanoates J Polym Environ 2012 7. Gisha E. Luckachan , C. K. S. Pillai: Biodegradable Polymers- A Review on Recent Trends and Emerging Perspectives; J Polym Environ (2011) 19:637–676 8. Sangamesh G. Kumbar, Subhabrata Bhattacharyya, Syam Prasad Nukavarapu,Yusuf M. Khan, Lakshmi S. Nair, and Cato T. Laurencin: In Vitro and In Vivo Characterization of Biodegradable Poly(organophosphazenes) for Biomedical Applications; Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, Vol. 16, No. 4, December 2006 9. Е.Д. Николаева, Е.И. Шишацкая,, К.Е. Мочалов, Т.Г. Волова., Э.Д. Сински: Сравнительное исследование клеточных носителей, полученных из резорбируемых полигидроксиалканоатов различного химического состава; Клеточная трансплантология и тканевая инженерия Том VI, № 4, 2011 10.X. Wanga, X. Li , Y. Li , Y. Zhou , C. Fan , W. Li , S. Maa, Y. Fan , Y. Huang, N. Li a, Y. Liu: Synthesis, characterization and biocompatibility of poly(2-ethyl-2-oxazoline)–poly(D,L-lactide)–poly(2-ethyl-2-oxazoline) hydrogels Acta Biomaterialia 7 (2011) 4149–4159
