Учебники 80379

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

нерва. Способность нервных волокон к регенерации после повреждения при сохранении целостности тела нейрона используется в микрохирургической практике при сшивании дистального и проксимального отростков поврежденного нерва. Если это невозможно, то используют протезы (например, участок подкожной вены), куда вставляют концы поврежденных нервов (футлериз).

Эпителиальные ткани. Это пограничные ткани, которые располагаются на границе с внешней средой, покрывают поверхность тела и слизистых оболочек внутренних органов, выстилают его полости и образуют большинство желез. Важнейшими свойствами эпителиальных тканей являются сомкнутое расположение клеток (эпителиоцитов), образующих пласты, наличие хорошо развитых межклеточных соединений, расположение на базальной мембране (особом структурном образовании, которое находится между эпителием и подлежащей рыхлой волокнистой соединительной тканью), минимальное количество межклеточного вещества, пограничное положение в организме, полярность, высокая способность к регенерации.

Так как наша идея подразумевает под собой синтез нового кожного покрова, то наиболее подходящим вариантом решения данной проблемы будет выращивание кожи из стволовых клеток. Благо такое процесс уже отточен и способен спасать жизни людей с повреждениями кожи до 80%.

Разработки искусственной кожи дали свои плоды еще в 2013 году, когда сотрудники Университета Гранады впервые смогли вырастить искусственную кожу из стволовых клеток, полученных из пуповины (из эмбриональных стволовых клеток) [4]. В 2016 году команда биомедиков из Токийского научного университета создала новый метод выращивания кожи из собственных стволовых клеток [5]. Выращенная в лаборатории кожа имеет три слоя кожных клеток, а также потовые железы, волосяные фоликулы и даже сальные железы. Этого удалось достичь с помощью комбинации химических катализаторов. Выращивая небольшие фрагменты кожи из стволовых клеток пациента, ученые из Университета Модены и Реджо-нель-Эмилии

41

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

(Италия) смогли вырастить листы здоровых стволовых клеток на пластиковом основании, которые затем имплантировали на кожу пациента. На данный момент это самая сложная искусственная кожа, созданная человеком. Причем, стволовые клетки для процедуры можно получить даже из капли крови будущего пациента. Пока ученые провели эксперименты только на мышах, но по их прогнозам и результатам исследований, такие ткани будут имплантировать людям уже в ближайшие десять лет.

Идея операции. Если обобщить всю известную нам информацию, то процесс операции разделяется на несколько этапов. Для начала нам необходимо смоделировать недостающую конечность человека. Мне это представляется возможным с помощью объединения разного рода снимков и результатов сканирования в одну объемную модель, словно мы собираемся распечатать её на 3D-принтере. Так как строение человека подразумевает под собой достаточно хорошую симметрию конечностей, то нам достаточно отсканировать здоровую конечность и «отзеркалить» её. Таким образом, мы получим первоначальную модель, набросок нашего биопротеза.

Следующим шагом необходимо подготовить основу для роста будущей кости. В этом нам могут помочь углеродные нанотрубки. Известны также разработки восстановления поврежденной костной ткани с помощью наночастиц гидроксиапатита. Подробнее этот метод описан в работе группы исследователей из Ирландского королевского хирургического колледжа (Royal College of Surgeons in Ireland).

Если представить, что нам удалось синтезировать основу костной ткани и компоненты, способствующие остеогенезу, то можно приступать к синтезу остальных видов тканей. К сожалению, существенных результатов по синтезу мышечной и нервной тканей не удалось достигнуть. Работы ведутся только на волокнах и тканях мышей, однако результаты тех исследований не могут не радовать. Исследователь в Массачусетской больнице общего профиля создал искусственную конечность крысы. Полученный образец отвечает на внешние раздражители и имеет функционирующие кровеносные сосу-

42

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

ды. Результат выглядит как ампутированная конечность размером чуть меньше человеческого пальца, хотя на самом деле она была создана искусственным путём. Для выращивания лапки торакальному хирургу Харальду Отту требуются недели. Соблюдаются все необходимые условия, пока она растёт в специальном инкубаторе. Используется техника «децеллюляризация/рецеллюляризация» (decel/recel). Метод состоит из следующих шагов: орган мёртвого донора очищается от клеток, от него остаётся только мёртвая основа из инертного коллагена и других веществ. Затем остов населяется нужными клетками из тканей реципиента. В биореакторе происходит подпитывание и рост тканей. Поскольку клеток донора в полученном органе нет, он не будет отвергнут иммунной системой реципиента. Для проверки работоспособности мускулов выращенной лапки исследователи использовали электрические импульсы. Конечность могла сгибаться и разгибаться с силой в 80 % от силы мышц новорождённого. Клетки были ориентированы в корректном направлении мышечных волокон. Также выращенные конечности присоединялись к здоровым крысам под наркозом. В этом случае был продемонстрирован успешный кровеносный поток. Касаемо кожного покрова прогнозы более чем оптимистичны. Пока будут производиться шаги моделирования конечности и синтез необходимых веществ, специалисты могут начинать подготавливать необходимое количество искусственной кожи.

В финале операция должна представлять собою присоединение полученного в лабораторных условиях биопротеза к телу пациента. Хирургам уже получалось присоединить донорские руки с достаточным успехом вплоть до того, что пациент мог управлять велосипедом. Но вопрос об отторжимости донорских рук и их дальнейшей работоспособности без средств, подавляющих иммунный ответ организма. Другое дело, когда этот биопротез будет сделан из биоматериалов самого пациента. Но, к сожалению, в этой идее есть очень много вопросов:

1) Для создания модели необходима чётко отлаженная программа, позволяющая объединять в себе различные файлы диагностических результатов;

43

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

2)Для создания биопротеза необходима мощная и высокотехнологичная аппаратная база. Ведь основная часть работы – это постепенное собирание протеза от кости до нанесения кожи;

3)Процесс данной операции трудно представим на детях. Детский организм постоянно растет и нельзя точно сказать, будет ли расти вместе с ним и протез;

4)Для проработки этой идеи необходимы самые глубокие знания об устройстве человека. Соответственно становится явным наличие команды профессионалов, как от опытных хирургов, так и от физиков.

Заключение. Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенная идея может быть полезной при разработке биопротезов. Ее реализация решит большое количество проблем с нехваткой доноров, решит проблемы с инвалидностью, потеря конечности больше не будет страшной бедой и утратой.

Список литературы

1.Искусственная кость Orthoss [Электронный ресурс]: http://www.mst.ru/products/biomaterials/Orthoss/ (Дата обращения 05.03.2018).

2.Костные трансплантаты и материалы, замещающие костную ткань [Электронный ресурс]:https://stomweb.ru/articles/implantologiya/kostnye- transplantaty-i-materialy-zameshchayushchie-kostnuyu-tkan/ (Дата обращения 05.03.2018).

3.Carbon Nanotubes Help Fix Bones [Электронный ресурс]: https://phys.org/news/2008-03-carbon-nanotubes-bones.html (Дата обращения 15.02.18).

4.Мышечные ткани [Электронный ресурс]: http: //vmede.org/sait/ page = 12&id= Gistologiya embriol cit afanasev 2012 &menu =Gistologiya embriol cit afanasev 2012 (Дата обращения 05.03.18) .

44

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

5.Wharton’s Jelly Stem Cells: A Novel Cell Source for Oral Mucosa and Skin Epithelia Regeneration – Stem Cells Translational Medicine, 2013, DOI: 10.5966/sctm.2012–0157.

6.Ryoji Takagi1, Junko Ishimaru1, Ayaka Sugawara1, Koh-ei Toyoshima: Bioengineering a 3D integumentary organ system from iPS cells using an in vivo transplantation model, Science Advances 01 Apr 2016.

References

1.Iskusstvennaja kost' Orthoss [Electronic resource]: http: //www. mst.ru/ products/biomaterials/Orthoss/ (In Russia).

2.Kostnye transplantaty i materialy, zameshchayushchie kostnuyu tkan’[Electronic resource]: https://stomweb.ru/articles/implantologiya/kostnye- transplantaty-i-materialy-zameshchayushchie-kostnuyu-tkan/ (In Russia).

3.Carbon Nanotubes Help Fix Bones [Electronic resource]: https:// phys. org / news/2008-03-carbon-nanotubes-bones.html (In Russia).

4.Myshechnye tkani [Electronic resource] :http:// vmede. org/sait/ page= 12&id=Gistologiya embriol cit afanasev 2012&menu =Gistologiya embriol cit afanasev 2012 (In Russian).

5.Wharton’s Jelly Stem Cells: A Novel Cell Source for Oral Mucosa and Skin Epithelia Regeneration – Stem Cells Translational Medicine, 2013, DOI: 10.5966/sctm.2012–0157.

6.Ryoji Takagi1, Junko Ishimaru1, Ayaka Sugawara1, Koh-ei Toyoshima: Bioengineering a 3D integumentary organ system from iPS cells using an in vivo transplantation model, Science Advances 01 Apr 2016.

Студеникин Дмитрий Алексеевич – студент 3 курса кафедры САУМС группы БМ-151 Корнеева Алла Николаевна – канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры химии и химической технологии материалов Воронежского государственного технического университета

45

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

УДК 541.64:532.7

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ И БИОТЕХНОЛОГИИ НА ОСНОВЕ ПОРИСТЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ

В.А. Зозулина*, А.Н. Корнеева

Воронежский государственный технический университет, Российская Федерация, 394026, г. Воронеж, ул.20-летия Октября,84

*Адрес для переписки: Зозулина Владислава Алексеевна, E-mail: zozulina.vladislava.2014@mail.ru

В последние десятилетия большой интерес вызывают материалы медикобиологического назначения, то есть материалы, предназначенные для создания изделий, устройств и препаратов, применяемых в медицине, биотехнологии, сельском хозяйстве и т. п., и используемые для обеспечения и оптимизации жизнедеятельности живых организмов. В данной статье проанализированы новые материалы для медицины и биотехнологии на основе пористых полимерных гидрогелей с помощью следующих задач: определен гидрогель и его характеристики, охарактеризованы свойства гидрогелей, раскрыты основные способы их получения и перспективы применения, выявлены проблемы использования в медицине.

Ключевые слова: гидрогели, медицина, биотехнология, полимерные системы, биоматериал

NEW MATERIALS FOR MEDICINE AND BIOTECHNOLOGY BASED

ON POROUS POLYMER HYDROGELS

V.A. Zozulina, A.N. Korneeva

Voronezh State Technical University, Russian Federation, 394026, Voronezh, ul. 20-letiia Oktiabria.84

© Зозулина В.А., Корнеева А.Н., 2018

46

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

*Corresponding author: Zozulina Vladislava Alezseevna, E-mail:

zozulina.vladislava.2014@mail.ru

In recent decades, of great interest are materials of medical and biological purposes, that is, materials intended for the creation of products, devices and drugs used in medicine, biotechnology, agriculture, etc., and used to ensure and optimize the life of living organisms. This article analyzes new materials for medicine and biotechnology on the basis of porous polymer hydrogels with the help of the following tasks: the hydrogel and its characteristics are defined, the properties of hydrogels are characterized, the main ways of their production and prospects of application are revealed, the problems of use in medicine are revealed.

Keywords: hydrogels, medicine, biotechnology, polymer systems, biomaterial

Существенное внимание сегодня уделяется влиянию полимерных материалов на системы гемосовместимости, биодеградации, испытаниям на биосовместимость, стерилизацию биотехнологических полимеров, методам модификации биологически активных веществ полимерами, созданию композиционных материалов. Пример таких материалов как полимерные пористые гидрогели, которые в зависимости от назначения изделия могут обеспечить комплексное действие – гемостатический эффект, противовоспалительное, противоотечное, обезболивающее действие, стимулируя заживление ран, язв, ожогов и т. д [1].

Гидрогель представляет собой сополимер N-замещенного метакриламида или акриламида, сшивающего агента и соединения сахара или его производного, пептида, соединяющего ткань, или сопряженного полимера с антителами, причем полимер является гетерогенным, упругодеформирующимся и имеющим равновесное содержание воды, по крайней мере, около 80% (средний размер пор 35-40 мкм). Внешний вид гидрогеля представлен на рис. 1.

Он может быть использован для регенерации ткани и для восстановления органа, например, в развивающейся и зрелой нервной системе. Гидрогель обладает улучшенной способностью заживления ткани в тканевом образова-

47

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

нии, которое достигается благодаря контролю над разрастанием клетки, инфильтрацией клетки и организацией ткани в стабильной полимерной матрице.

Полимерные гели – уникальные материалы, имеющие необычные свойства. Некоторые гели поглощают воды в 400 раз больше их собственного веса. Связанная вода в гелях может не замерзать до – 780 °С. Гели изменяют свои свойства под воздействием внешних факторов. Большинство гидрогелей стойки к действию кипящей воды, а также к влиянию кислот и щелочей. Эти материалы выдерживают рН в интервале 1-10, а также температуру от 10 до 130 градусов по Цельсию. К тому же они имеют хорошие оптические свойства, что особенно кстати при создании искусственной роговицы и стекловидного тела. Так, если говорить об оптических свойствах гидрогелей, коэффициент их преломления практически совпадает с коэффициентом преломления воды (1,33 и 1,35 соответственно). Механические свойства тоже поражают: гидрогели могут выдерживать давление от 0,6 до 3,0 МПа [2].

Рис. 1. Гидрогель [3]

Основные методы получения полимерных гидрогелей – радикальная полимеризация гидрофильных мономеров в присутствии сшивающих агентов, сшивание гидрофильных олигомеров или полимеров обычными методами синтеза сетчатых полимеров; прививка перечисленных мономеров к при-

48

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

родным полимерам, обеспечивающим образование сетки, химические реакции полимеров, например, гидролиз сшитого или привитого полиакрилонитрила [3].

Важное место среди полимерных гидрогелей заняли стимулчувствительные полимерные системы, способные обратимо и адекватно реагировать на незначительные изменения в окружающей их среде заранее запрограммированным образом.

Около 50 лет ведутся работы по разработке и созданию новых биоматериалов на основе полимерных гидрогелей. И на сегодняшний день достигнуты огромные успехи. Но большинство разработанных полимерных гидрогелей, даже использованных на практике, по-прежнему имеют некоторые недостатки, такие как:

-недостаточная механическая прочность;

-низкая осмотическая устойчивость (резкое изменение объема при незначительном изменении pH и ионной силы);

-возможность синерезиса при хранении;

-диффузионные затруднения при сорбции и десорбции веществ даже маленькой молекулярной массы и т.д. [4].

В настоящее время существует влияние получения подобных систем, но большая их часть представляет технологическую сложность и невозможность практического применения для получения значимых объемов продукции. Один из немногих достаточно технологичных методов получения макропористых полимерных гидрогелей – это метод криоструктурирования: формирование трехмерной пористой структуры в присутствии гетерофазы замороженного растворителя - как правило, воды. Один из более доступных типов макропористых гидрогелей, получаемых по описанной выше схеме, – это криогель поливинилового спирта – полимер, обладающий высокой биосовместимостью и многие десятилетия широко применяющийся в медицине,

втом числе как компонент кровезаменителя, образующегося при замораживании и дальнейшем оттаивании растворов этого полимера [5].

49

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

Непревзойденные достоинства макропористых гидрогелей - это свойства, связанные с наличием в них системы связанных пор, занимающих основной объем образца (до 90-95 %):

-способность сорбировать и удерживать большие объемы жидкости. При этом скорость сорбции в десятки раз выше аналогичного показателя обычных гелей и не зависит от размеров частиц гелей;

-слабое влияние внешних условий, например, pH и ионной силы раствора, на равновесную набухаемость гидрогелей. А именно, они в отличие от других известных гидрогелей, не коллапсируют, то есть резко не изменяют свой объем вследствие внешних изменений;

-улучшаются эластичность и механическая прочность гелей. Стремительное развитие физикохимии полимерных гидрогелей сыгра-

ло радикальную роль в области их практического применения. Внедрение полимерных гидрогелей в технологию производства фармацевтических препаратов позволило создать принципиально новые лекарственные формы и различные макромолекулярные терапевтические системы на основе природных и синтетических полимеров [6].

Известно, что пищеварительный тракт человека включает желудок, имеющий кислую среду (рН около 1,5), и кишечник с нейтральной средой (рН 6,7-7,4). Оболочка таблеток на основе гидрогелей акриловых кислот не растворяется в желудке и защищает ЛВ от вредного воздействия внешних факторов. Попав в кишечник, оболочка из геля набухает и постепенно выделяет активное вещество в окружающую среду.

Значительный практический интерес представляют рН-чувствительные системы на основе природных полимеров, таких как хитин, декстран, целлюлоза и их производные. Подобные полимеры будучи нетоксичными, натуральными и биодеградируемыми уже нашли практическое применение в технологии лекарств, в качестве материалов для получения мембран, пленок, гидрогелей, сорбентов, для пролонгации и инкапсулировании лекарственных веществ и т. д [7].

50