Диссертация (Экспериментальное обоснование применения сложного биокомпозиционного материала с мезенхимальными стволовыми клетками для восстановления костных дефектов), страница 3

Конкретные ситуации,которые могут потребовать дополнительных мер вмешательства, включаютв себя значительную потерю кости из-за травмы, резекции опухоли,метаболическихзаболеваний,эндопротезирования,снижениярегенераторного потенциала человека из-за местного или системногозаболевания [Cestari T.M., 2009; Yang Y., 2011].Применение методов тканевой инженерии позволяет преодолетьуказанныенеблагоприятныефакторыдляоптимизациикостнойрегенерации. Наибольший интерес в современной тканевой инженериикости представляют, во-первых – технологии изготовления скэффолдов(матриксов)заданнойиндивидуальнойформысприближеннымимеханическими свойствами и сроками резорбции, характерными длянативной кости; во-вторых – технологии насыщения скаффолдов факторамироста и морфогенами для придания им свойств биологической активности иостеоиндукции; в третьих – технологии культивирования и использованияМСК в составе костных имплантатов, что позволяет придать им свойствоостеогенности [Attawia M., 2003].1.2.Материалы исспользованные для создания скэффолдовРазработка и выбор подходящего каркаса является одним изважнейших аспектов тканевой инженерии.

Каркасы действуют не только вкачестве физической поддержки, но и как искусственная внеклеточнаяматрица (ИВМ), что способствует присоединению, пролиферации идифференциации посеянных клеток [Bryant S.J., 2003].14Идеальный каркасный материал должен соответствовать следующимкритериям [Hollister S.J., 2005; Hutmacher D.W., 2000; Шумаков В.И., 2003;Song Z., 2015; Lace R., 2015; Jeffries E.M., 2015]:1.

Механической прочностью и эластичностью, достаточной дляхирургических манипуляций [Godbole S., 2003; Liebschner M., 2004; ChenG., 2015].2. Материал и его продукты разложения не должны быть токсичными.3. Способностьюполностьюбиорезорбироватьдопродуктов,полностью метаболизирующихся в организме, не оставляя следов послевыполнения своих функций [Hutmacher D.W., 2000; Hollister S.J., 2002].4. Биосовместимостью на биохимическом и клеточном уровнях [ChenR.R., 2003; Hollinger J.O., 2004; Wildemann B., 2007].5.

Скорость резорбции матрикса должна соответствовать скоростивосстановления костной ткани в области дефекта [Hollister S.J., 2002].6. Технологичностью изготовления – он должен легко формоваться ввиде пористой структуры, обеспечивающие процессы роста и развитияткани и неоваскуляризации;7. Возможностьстерилизациистандартнымиспособамибезизменения их медико-технических свойств.Материалы каркасов для тканевой инженерии можно условноразделить на природные и синтетические материалы. Синтетическиематериалы, такие, как полигликолевая кислота, полимолочная кислота(ПМК), керамика и биоактивное стекло, широко используются дляизготовления медицинских шовных материалов, эндопротезированиятазобедренного сустава, тела позвонков, стентов и носителей для доставкилекарств [Jeong C.G., 2010; Zhong T., 2012].

Природные полимеры, включаяколлаген, фибрин, хитозан, и поли-3-оксиалканоаты (ПОА), являютсябиологически совместимыми и дают обнадеживающие результаты при15использовании в качестве матриксов для тканевой инженерии [Jin R., 2009;Wang C.C., 2011].Перспективным направлением в изготовления костных матриксов(скэффолдов)являютсяCAD/CAM(отангл.Computer-aideddesign/Computer-aided manufacturing) технологии, в частности, аддитивноепроизводство – послойное наложение материала слой за слоем на основекомпьютерной 3D-модели (Solid free form (SFF) fabrication techniques)[Susmita Bose 2013; Sophie C.Cox 2014].

К аддитивному производствуотносятся: лазерная cтереолитография (Stereo Lithography Apparatus; 3DSystems, F&S Stereolithographietechnik GmbH, Институт проблем лазерныхи информационных технологий РАН); технология лазерного спекания (SLS,Selective Laser Sintering – лазерное спекание порошковых материалов; 3DSystems, F&S Stereolithographietechnik GmbH, The ExOne Company /Prometal, EOS GmbH); технология послойного наплавления (FDM, FusedDeposition Modeling – послойное наложение расплавленной полимернойнити (Stratasys Inc.); технология струйного моделирования (Ink JetModelling, 3D Systems, Objet Geometries Ltd.,Solidscape, Inc.); технологиясклеивания порошков (binding powder by adhesives, Z Corporation).Природные полимеры:Природные полимеры (альгинаты, коллаген, желатин, хитозан и др.)помимо того, что они проявляют высокую степень биосовместимости стканями и клетками организма, являются также высокоэффективнымибиостимуляторами.

Они распадаются на более простые соединения,которые выводятся из организма, либо принимают активное участие вбиосинтезе, происходящем на клеточном уровне [Maquet V., 1997; Jing Yao,2011].Кнедостаткаместественныхполимеровотносятнизкуюмеханическую прочность, сложность обработки, часто слишком быстроевремя резорбции, невозможность ее контроля. Также имеют склонность16вызывать ксеногенные осложнения, так как большинство этих материаловполучены из животных или растительных источников [Veis, A., 1960; Lavik,E., 2004; Malafaya P.B., 2007].Коллаген–являетсяосновнымструктурнымкомпонентомвнеклеточного матрикса (ВКМ), а также основной частью соединительнойткани. Он составляет около 30% общей массы белков у млекопитающих ивходит в состав почти каждой ткани, обеспечивая прочность и структурнуюстабильность [Muschler G.F., 2002; Ricard-Blum S., 2011].содержаниюБлагодаряаргинин-глицин-аспартат-последовательностейпоследовательностей)впервичнойструктуре(RGDколлагенявляетсябиоматериалом, обеспечивающим адгезию клеток [Dawson J., 2011; ChaisriP., 2015].

При введении коллагена в организм он подвергается быстройрезорбции,расщепляясь–стимулируетрепаративныепроцессы[Kretzschmar M., 2015], в частности образование собственного коллагенаорганизма, обладает гемостатическими свойствами. В связи с этим коллагени его производные широко используются в косметологии и медицине[Blomback B., 1996; Kim B.-S., 2000; Griffith L.G., 2002]. Однако серьёзнымнедостатком коллагена является неконтролируемое время резорбции (до 1месяца) в условиях живого организма, что недостаточно для полноговосстановления тканей и приводит к образованию рубцовой ткани.Денатурированная форма коллагена – желатин – также используетсядля создания твердотельных пористых и гелевых матриксов [Hong S.R.,2000].

Пористые желатиновые губки исследовали в качестве транспорта длязрелых мезенхимальных стволовых клеток в хрящевой регенерирующейтерапии [Ponticiello M.S., 2000; Chiu C.H., 2009; Tran A., 2014]. Установлено,что благодаря имплантации микросфер из желатина может поддерживатьсярост церебральных нейронов, скелетных миобластов и кардиомиоцитов[Chou K.F., 2014].17Из природных полимеров, относящихся к классу полисахаридов,можно упомянуть альгинаты и хитозан. Данные полимеры по своимструктурным характеристикам имеют сходство с такими компонентамиВКМ, как гликозаминогликаны [Peters A., 2003].

Гликозаминогликаны –гидратные составляющие ВКМ, находятся в соединительной ткани в видекомплексов с белками и связаны с ними слабыми и прочнымимежмолекулярными взаимодействиями.Хитин–поли-β(1->4)N-ацетил-В-глюкозамин–Хитозаныпроизводные от хитина, получены при его очистки путем ацетилирования,содержащие в своей структуре больше 50% несвязанного амина.Высокаябиосовместимость,биодеградируемость,низкаятоксичность, легкость формирования в виде пленок, мембран, губок,фотосшиваемых гидрогелей и низкая стоимость привлекают интерес кданному материалу в тканевой инженерии [Bhattarai N., 2010; Pradines B.,2015; Abou Taleb M.F., 2015; Grigoriadi K., 2015]. Хитин и его производныеиспользуют самостоятельно либо в комбинации с другими материалами какальгинат, желатин и др.Главным недостатком этого природного полимера является малыйуровень прочности, изменение структуры при стерилизации различнымиметодами [Marreco P.R., 2004].Альгинат – это природный линейный полисахарид, экстрагируемыйиз бурых морских водорослей.

Он состоит из 1-4 связанных остатков a-Lгулуроновой и P-D-маннуроновой кислот. Блоки полиманнуроновойкислоты придают вязкость альгинатным растворам, блоки гулуроновойкислотыответственнызаспецифическоесвязываниеальгинатомдвухвалентных ионов металлов. Альгинаты формируют гидрогели,прореагировав с дивалентными катионами, такими как Са, Ва, Sr, особеннос Mg, используют также тривалентные катионы Аl и Fe.

Приготовлениетаких гидрогелей заключается в добавлении альгината натрия в раствор,18содержащий сшивющие катионы [Peters A., 2003; Правдюк А.И., 2010]. Наосновании этого свойства альгинат получил распространение какинъекционное средство сайт-специфической доставки клеток (хондроциты,стромальныеклеткикостногомозга)иразличныхфакторов(нейротрофический фактор головного мозга, основной фактор ростафибробластов – ОФРФ и др.) [Peters A., 2003; Правдюк А.И., 2010; ГрицайД.В., 2014; Zhang X.Z., 2015; Тарусин Д.Н., 2016].Матриксы на основе альгината использовали для восстановленияхрящевой ткани.