Учебники 80379

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ И БИОТЕХНОЛОГИЙ

УДК 6.60.606

О СОЗДАНИИ БИОПРОТЕЗОВ КОНЕЧНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПАЦИЕНТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Д.А. Студеникин*, А.Н. Корнеева

Воронежский государственный технический университет, Российская Федерация, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

*Адрес для переписки: Студеникин Дмитрий Алексеевич, E-mail: studenikin-97@mail.ru

В работе выдвигается идея о создании биопротезов с помощью биоматериала, взятого у пациента, с применением нанотехнологий. Были рассмотрены в кратком содержании основные структурные компоненты костной, мышечной и нервной тканей и предложены, для некоторых из них, аналоги для замещения. Для подтверждения целесообразности использования этой технологии были приведены примеры разработок в биомедицине, позволяющие получить искусственную костную ткань и кожу. Описан предварительный взгляд на структуру и проведение операции по установлению полученного биопротеза пациенту. Данный подход носит теоретический характер, для полного анализа и проработки необходимы точные знания о структуре человека, знания IT-технологий и физических процессов для создания аппаратной части, необходимой для операции.

Ключевые слова: биомедицина, биопротезирование, нанотехнологии, искусственная кожа, 3D-моделирование, структура тканей человека

ON CREATION OF BIOPROTECTIONS OF LIMBS BASED ON BIOLOGICAL MATERIAL OF PATIENTS WITH APPLICATION OF ANOTECHNOLOGIES

D.A. Studenikin*, A.N. Korneeva

© Студеникин Д.А., Корнеева А.Н., 2018

31

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

Voronezh State Technical University, Russian Federation, 394006, Voronezh, ul. 20-letiya Oktyabrya, 84,

*Corresponding author: Dmitri A. Studenikin, E-mail: studenikin-97@mail.ru

In this article, the idea of creating bioprosthesis using a biomaterial taken from a patient using nanotechnology is advanced and considered. The main structural components of bone, muscle and nerve tissues were examined in brief, and analogues for substitution were proposed for some of them. To confirm the feasibility of using this technology, examples were given of developments in biomedicine, which make it possible to obtain artificial bone tissue and skin. Also, a preliminary look at the structure and operation of establishing the bioprosthesis for the patient was described. This method is only of a theoretical nature, since for complete analysis and elaboration, accurate knowledge of the structure of a person, knowledge of IT technologies and physical processes is necessary to create the hardware required for the operation.

Keywords: biomedicine, bioprosthetics, nanotechnology, artificial leather, 3D modeling, human tissue structure

Введение. На сегодняшний день по всему миру достаточно большую часть среди инвалидов занимают люди, потерявшие конечности. Причинами такой потери могут быть разные факторы: бытовые и производственные травмы, участие в боевых действиях, сосудистые заболевания, опухоли и врожденные деформации. Для замены утраченных конечностей предлагают применение протезов, однако, как бы правдоподобно не выглядели протезы, они по-прежнему остаются искусственной и «неживой» конечностью. Задачей данной работы является освещение последних разработок в биомедицине и протезировании, а также предложение идеи создания процесса по созданию биопротеза на основе биоматериала, взятого у пациента.

Костная ткань. Развитие костей зависит от двух механизмов: внутримембранного костного формирования и эндохондрального (окостенение) формирования. Для восстановления костей используются те же механизмы, но они определяются факторами окружающей среды. Рост костей и его под-

32

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

держание особенно зависят от сосудистой системы и от межклеточной связи. По своей структуре костная ткань состоит из разных клеток. Созданием и минерализацией костей занимаются специальные клетки: остеобласты и

остеоциты. В реабсорбции (обратное всасывание жидкости из полостей) костной ткани принимают участие остеокласты. В минерализованной матрице костной ткани присутствует органический компонент. В основном это коллаген под названием оссеин, а также неорганический компонент костного минерала, который состоит из различных солей.

Остеобласты. Это клетки костной ткани, располагающиеся в верхних ее слоях, имеющие многоугольную, кубическую форму с различного вида отростками. Внутреннее содержимое схоже с содержимым других клеток. Снаружи эти клетки окружены тончайшими микрофибриллами. Главной функцией остеобластов является синтез компонентов межклеточного вещества. Это коллаген (преимущественно первого типа), гликопротеины матрикса (остеокальцин, остеонектин, остеопонтин, костный сиалопротеин), протеогликаны (бигликан, гиалуроновая кислота, декорин), а также различные костные морфогенетические белки, факторы роста, ферменты, фосфопротеины. Когда выделяемая матрица, окружающая остеобласт, отвердевает, остеобласт находится как бы в ловушке в ней. В результате чего остеобласт меняет свою структуру и становится остеоцитом - основной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки.

Остеоциты. Остеоциты составляют основу зрелой костной ткани. Обладают веретенообразной формой, с множеством отростков. По сравнению с остеобластами органелл значительно меньше, есть округлое ядро (в нем преобладает гетеохроматин) с ядрышком. Остеоциты располагаются в лакунах, но непосредственно с матриксом не соприкасаются, а окружены тонким слоем костной жидкости. За счет нее осуществляется питание клеток. Расстояние между клетками составляет 20-30 мкм. Во взрослом организме содержится около 42 миллиардов остеоцитов. Средний период, за который происходит полураспад остеоцитов составляет примерно 25 лет. Отростки остео-

33

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

цитов, имеющие достаточно большую длину до 50 мкм, располагаются в специальных канальцах. Костная ткань буквально пронизана ими, они образуют ее дренажную систему, в которой и содержится тканевая жидкость. Через нее осуществляется обмен веществ между межклеточным веществом и клетками. Основной функцией остеоцитов является поддержание нормального состояния костного матрикса и баланса кальция и фосфора в организме. Они способны воспринимать механические напряжения, и чувствительны к электрическим потенциалам, возникающим при действии деформирующих сил. Реагируя на эти силы, запускается локальный процесс, при котором соединительная костная ткань начинает перестраиваться.

Остеокласты и остеогенные клетки. Остеокласты – это крупные клетки, содержащие от 5 до 100 ядер, имеющие моноцитарное (лейкоцитное) происхождение, разрушающие кости и хрящи, т. е. вызывающие их резорбцию. Необходимость в таких клетках обусловлена постоянным образованием новой костной ткани. Остеокласты растворяют старую или поврежденную костную ткань. Костная ткань начинает разрушаться при повышении уровня особого гормона (паратиреоидного), который приводит к активации остеокластов. Механизм этого процесса связывают с выделением ими углекислого газа, который под воздействием специального фермента (карбоангидраза) превращается в кислоту, имеющую название угольная, она и растворяет соли кальция. В кости остеокласты располагаются в ямках под названием Бухты резорбции или лакуны Хаушипа. Остеокласты характеризуются цитоплазмой с пенистой структурой, обусловленной большим содержанием вакуолей и везикул. Вакуоли включают лизосомы с кислой фосфатазой. На участке кости с активной резорбцией остеокласты образуют мембрану.

Аналоги для замещения костной ткани. Материалы, замещающие костную ткань, должны выполнять следующие задачи в регенерации:

•поддерживать мембрану, чтобы избежать ее разрыва;

•выступать в качестве каркаса для врастания кости на участкереципиенте;

34

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

•стимулировать врастание кости на участке-реципиенте;

•играть роль механического щита против давления со стороны вышележащих мягких тканей;

•защищать аугментированную (нарощенную) кость от резорбции. Кроме того, клинические показания к применению заменителя костной

ткани варьируются от восстановления незначительных дефектов в периимплантной области дорегенерации больших непрерывных дефектов.

Рис.1. Классификация заместителей костной ткани

Принимая во внимание широкий диапазон показаний к применению заменителей костной ткани, следует понимать, что один материал не может выполнить все требования. Поэтому необходимо сочетать несколько видов, чтобы получить успешный и предсказуемый результат лечения (рис.1).

Если смотреть тенденции развития заменителей костной ткани, то следует обратить внимание на разработку Orthoss [1] – искусственная кость биологического происхождения, а также на применение углеродных нанотрубок для обеспечения каркаса растущей кости. С появлением Orthoss стал доступен альтернативный материал для костной пластики, в котором сохра-

35

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

нена натуральная неорганическая структура кости. Orthoss легко интегрируется в естественный процесс образования костной ткани посредством остеобластов и остеокластов. Такая искусственная кость состоит из веществ, которые составляют неорганическую матрицу кости, при этом свойства натуральной неорганической структуры кости остаются неизменными. Благодаря своему природному составу Orthoss имеет высокую степень сходства с человеческой костью. Строение трансплантата должно способствовать врастанию кровеносных сосудов, что является важным моментом для формирования кости внутри материала. Очень важно, чтобы материал не только должен быть пористым, но и иметь макропоры, соединенные между собой. Существуют различные отчеты относительно оптимального размера макропор, и, как полагают, их размер должен находиться в диапазоне от 100 до 500 мкм. Orthoss имеет естественную систему пор, которая способствует восстановлению кости посредством прорастания кровеносных сосудов и миграции костных клеток. Неорганическая основа человеческой кости представляет собой мельчайшие кристаллы апатита. В ходе уникального технологического процесса производства в Orthoss сохраняется кристаллическая структура, сходная с человеческой костью. Важной особенностью является то, что химический состав Orthoss схож с химическим составом кости. По сравнению с синтетическими материалами в Orthoss биологический апатит имеет меньше гидроксильных групп и больше карбонатных ионов. Соотношение между ионами кальция и фосфата составляет 2:1, что полностью соответствует человеческой кости.

Что же касается углеродных нанотрубок, то здесь технологии только развиваются. Заживление сломанной кости - длинный и трудный процесс. А уж регенерация на основе нанотрубок тем более. Однако, благодаря новому открытию команды ученых из Японии, которая обнаружила, что углеродные нанотрубки (CNT) [2] способны значительно ускорить процесс заживления. Во время экспериментов с мышами исследователи выяснили, что если на место перелома поместить нанотрубки, то процесс регенерации костной ткани

36

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

значительно ускоряется. Кроме того, уменьшается воспаление тканей, сопровождающее заживление.

Изучение результатов формирования нового костного материала показало, что углеродные нанотрубки интегрируются непосредственно в основное межклеточное пространство, действуя как отправная точка для роста новой костной ткани.

По словам проф. Наото Сэйто (Naoto Saito) заживление проходит быстрее, потому что нанотрубки образуют подобие подпорок, помогающих регенерации кости. Ученые пришли к выводу, что новую технику лечения при переломах можно будет применить к любой кости тела. Ускорение процесса регенерации костной ткани особенно заметно тогда, когда углеродные нанотрубки используют совместно с морфогенетическим белком, обычно применяемым для улучшения роста костей.

Как известно, плотность нанотрубок близка к плотности графита, то есть намного ниже, чем плотность стали или титана, обычно применяемых для замены кости, и к тому же они чрезвычайно прочные, соответственно, имплантация нанотрубок может не только способствовать регенерации, но и повышать механические свойства поврежденной костной ткани. Углеродные нанотрубки к тому же гибкие и эластичные. Таким образом, налицо все основные свойства опорной структуры кости.

Мышечная ткань. Говоря о мышечной ткани и её особенностях строения, необходимо понимать, что речь идет, прежде всего, о сложноорганизованной структуре, обладающей несколькими важными свойствами: возбудимостью, лабильностью (функциональная подвижность), проводимостью и сократимостью. Это позволяет мышечной ткани выполнять ряд локомоторных функций в организме: изменение положения тела в пространстве, поддержание статичного положения, осуществление сложных согласованных движений.

Так как мы рассматриваем возможность создания протеза конечности, то следует рассматривать скелетную мышечную ткань. Скелетная мышечная

37

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

ткань представляет собой основной мышечный аппарат человека. Обеспечивает локомоторные, защитные, соединительные функции. Первое принципиальное отличие – это длина клеток. При диаметре не достигающим и нескольких микрометров, их длина может быть более десятка сантиметров. Второе принципиальное отличие – морфологическая характеристика функциональной единицы – миосимпласта. Он не является полноценной клеткой, а скорее, несколькими клетками, слившимися в одно образование. По периферии миосимпласта находятся многочисленные органеллы. В центре миосимпласта располагается основная сократительная структура ткани – миофибрилла. Она состоит из отдельных сегментов – саркомеров, включающие в себя сократительный белковый аппарат клетки. Саркомеры образовывают систему волокон, связанных по принципу мостика. Потому скелетная мускулатура и носит название поперечнополосатой мышечной ткани. Следующая принципиальная особенность – иннервация. Одно мышечное волокно может получать иннервацию (снабжение органов и тканей нервами, обеспечивающих их связь с центральной нервной системой) из нескольких источников. Кроме того, мотонейроны (нейроны, иннервирующие мышечное волокно) тоже дифференцируются на группы. Одни отвечают за тонические сокращения, другие за мелкую моторику сокращающихся мышц.

Стоит обратить внимание на то, что скелетная мускулатура неодинакова по цветовой окраске. Существуют группы мышц, имеющих красный цвет

– это связано с наличием в больших объемах специализированного белка – миоглобина. Такие мышцы довольно медленно утомляются, зато процесс релаксации происходит очень быстро. Группа красных мышц служит для обеспечения поддержания положения тела в пространстве. Противоположная по характеристикам группа – белые мышцы. Содержание миоглобина и митохондрий в них гораздо меньше, что и привело к такому названию. Данная группа мышц быстро сокращается, но и быстро утомляется.

Регенерация мышечной ткани. Ядра миосимпластов делиться не могут, так как у них отсутствуют клеточные центры. Клетками-

38

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

предшественниками служат миосателлитоциты [3]. Пока организм растет, они делятся, а дочерние клетки встраиваются в концы симпластов. По окончании роста размножение миосателлитоцитов затухает. После повреждения мышечного волокна на некотором протяжении от места травмы оно разрушается и его фрагменты перерабатываются макрофагами.

Восстановление любых тканей организма может осуществляться за счет двух механизмов: гипертрофии и гиперплазии. Под гипертрофией подразумевают компенсаторное увеличение объема самого симпласта, в т.ч. за счет увеличения количества миофибрилл. В симпласте активизируются гранулярная эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи. В этом случае происходит синтез веществ, необходимых для восстановления саркоплазмы и миофибрилл, а также сборка мембран, так что восстанавливается целостность плазмолеммы. Поврежденный конец миосимпласта при этом утолщается, образуя мышечную почку. Под гиперплазией понимают пролиферацию миосателлитоцитов. Сохранившиеся рядом с повреждением миосателлитоциты делятся. Часть из них встраиваются в мышечную почку, другие сливаются (так же, как миобласты при гистогенезе) и образуют миотрубы, которые затем входят в состав вновь образованных мышечных волокон или формируют новые волокна.

Аналоги для замещения мышечной ткани. Самым лучшим вариантом для синтеза мышц был бы вариант использования для этой цели стволовые клетки. Ученым из Университета Дьюка (США) удалось впервые создать в лаборатории мышечную ткань с помощью стволовых клеток из клеток кожи человека. При этом выращенная из стволовых клеток мышечная ткань реагирует на внешние раздражители (химические и электрические), как обычная. Ученым удалась попытка пересадить ее мышам, и эта попытка, по их словам, закончилась «определенным успехом». По мнению исследователей, технология, которую они разработали, позволит усовершенствовать методы лечения редких мышечных заболеваний.

Подобные эксперименты проводились и ранее. Так, в 2015 году уче-

39

Химия, физика и механика материалов № 3 (18), 2018

ным также удалось создать мышечную ткань, но в тот раз они брали в качестве исходного материала сами мышечные клетки. То есть, другими словами, делали мышцы из мышц. Нынешняя же технология позволяет использовать для выращивания мышечной ткани практически любую другую.

«Этот метод позволяет нам взять небольшой образец тканей, например клетки кожи или крови, привести их в плюрипотентное состояние (прим. способных к дифференцированию во множество специализированных типов клеток), а затем выращивать из них неограниченное количество работающей мышечной ткани для экспериментов», — пояснили ученые.

Таким образом, новая технология позволяет не задействовать поврежденные ткани, если пациент уже страдает от какой-либо мышечной болезни. Кроме того, ученые надеются, что в будущем удастся создавать здоровые мышечные ткани для людей с генетическими болезнями.

Нервная ткань. Нервная ткань является функционально ведущей тканью нервной системы; она состоит из нейронов (нервных клеток), способных к выработке и проведению нервных импульсов, и клеток нейроглии (глиоцитов), выполняющих ряд вспомогательных функций и обеспечивающих деятельность нейронов. Нейроны (нервные клетки) – клетки различных размеров, состоящие из клеточного тела (перикариона) и отростков, обеспечивающих проведение нервных импульсов, – дендритов, приносящих импульсы к телу нейрона, и аксона, несущего импульсы от тела нейрона. Дендриты проводят импульсы к телу нейрона, получая сигналы от других нейронов через многочисленные межнейронные контакты. В основном дендриты многочисленны, имеют относительно небольшую длину и сильно ветвятся вблизи тела нейрона.

Процесс самовосстановления нервной системы состоит из двух составляющих: пластичности и регенерации. Регенерация нервных отростков идет со скоростью 2-4 мм в сутки. В условиях лучевого воздействия происходит замедление процессов восстановления тканей, что обусловлено в основном повреждением нейролеммоцитов и клеток соединительной ткани в составе

40