Изучение биоразрушаемых биоматериалов для целей тканевой инженерии костной ткани
|
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1 Актуальность и проблематика 7
1.2 Анатомия кости и ее физиологические особенности 9
1.3 Трансплантаты для восполнения костного объема 13
1.3.1 Аллотрансплантаты 14
1.3.2 Аутотрансплантаты 14
1.3.3 Ксенотрасплантаты 15
1.4 Тканевая инженерия как перспективный метод регенерации костной ткани
1.5 Материалы, используемые в тканевой инженерии кости 21
1.5.1 Синтетические материалы из металлов 22
1.5.2 Синтетические материалы из керамики 24
1.5.3 Синтетические полимеры природного происхождения 26
Глава 2. Материалы и методы 32
2.1 Биополимерные образцы 32
2.1.1 Биосинтез ПГА 32
2.1.2 Получение биополимерных пленочных образцов 33
2.2 Исследование свойств поверхности пленочных образцов 34
2.3 Исследование механических свойств пленочных образцов 35
2.3 Оценка биосовместимости полученных плёночных матриксов 36
2.5 Окрашивание клеток флуоресцентным красителем DAPI 38
2.6 Статистическая обработка данных 38
Выводы 48
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 49
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 50
Глава 1. Обзор литературы 7
1.1 Актуальность и проблематика 7
1.2 Анатомия кости и ее физиологические особенности 9
1.3 Трансплантаты для восполнения костного объема 13
1.3.1 Аллотрансплантаты 14
1.3.2 Аутотрансплантаты 14
1.3.3 Ксенотрасплантаты 15
1.4 Тканевая инженерия как перспективный метод регенерации костной ткани
1.5 Материалы, используемые в тканевой инженерии кости 21
1.5.1 Синтетические материалы из металлов 22
1.5.2 Синтетические материалы из керамики 24
1.5.3 Синтетические полимеры природного происхождения 26
Глава 2. Материалы и методы 32
2.1 Биополимерные образцы 32
2.1.1 Биосинтез ПГА 32
2.1.2 Получение биополимерных пленочных образцов 33
2.2 Исследование свойств поверхности пленочных образцов 34
2.3 Исследование механических свойств пленочных образцов 35
2.3 Оценка биосовместимости полученных плёночных матриксов 36
2.5 Окрашивание клеток флуоресцентным красителем DAPI 38
2.6 Статистическая обработка данных 38
Выводы 48
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 49
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 50
Лечение заболеваний опорно-двигательного аппарата остаётся сложной задачей на сегодняшний день. Известно, что только в России за один год травмы скелета получают более 6 миллионов человек [1], при этом каждому необходим индивидуальный план лечения. При простых переломах используют технику наложения гипсовых повязок и лангет, однако при более серьезных травмах такое лечение становится малоэффективным, что требует использования современных техник восстановления костного объема в качестве альтернативы устаревшим методам.
Всё более распространенными становятся ситуации, когда повреждение кости несет за собой утрату её участка, в этом случае на месте отсутствующего участка должна быть полностью восстановлена структура ткани с сохранением ее морфофизиологических функций.
Перспективным способом лечения таких повреждений является тканевая инженерия - научная отрасль, которая занимается созданием элементов для живого организма с целью восполнения тканевого дефекта. Она включает в себя принципы инженерии, биологии и медицины, что дает ей возможность для стремительного развития в современном мире [2]. Именно тканевая инженерия позволяет создавать анатомо-индивидуальный каркас, который будет подходить человеку независимо от его биологических особенностей.
Её принципиальная схема заключается в том, что клетки человека сначала культивируют, а затем наращивают на специальных носителях - скаффолдах, которые обладают специальными условиями для клеточной адгезии и дальнейший пролиферации. В роле скаффолдов могут выступать изделия, состоящие из металла, биокерамики, а также природных или синтетических биополимеров. Для обеспечения высокого регенеративного потенциала таких материалов к ним предъявляется ряд требований, которым они должны соответствовать:
• обеспечение биосовместимости и биоинтеграции;
• перенятие на себя опорной функции ткани;
• полное восполнение дефекта ткани;
• стимулирование нормального роста и дифференцировки клеток.
В настоящее время в целях тканевой инженерии исследовано большое количество материалов-претендентов для изготовления биосовместимых скаффолдов, однако идеального носителя ещё не найдено, в связи с чем растет востребованность в разработке новых и модификации уже известных материалов, которые будут отвечать всем требуемым свойствам. В последние годы преимущество отдаётся исследованиям в области биоразрушаемых биополимеров - к ним относятся полилактиды, полигликолиды, полигидроксиалканоаты (ПГА) и др. Важными их особенностями являются биодеградация и возможность модификации поверхности, что даёт предпосылки к созданию максимально приближенных анатомо¬индивидуальных каркасов для восполнения утраченного объема ткани.
Однако среди всех биопластиков можно выделить класс полигидроксиалканоатов как сочетающий в себе полную биосовместимость и биодеградацию, а также возможность получения сополимеров, характеризующихся различными физико-химическими и механическими свойствами.
Цель работы - конструирование пленочных матриксов из полигидроксиалканоатов и их исследование в качестве модельной системы скаффолда для адгезионных культур в целях репаративного тканегенеза костной ткани.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
1. изготовить плёночные матриксы из поли-3-гидроксибутирата и его сополимера с валератом (30 мол. %);
2. освоить методики ведения модельной клеточной культуры;
3. оценить физико-механические характеристики изготовленных образцов;
4. исследовать биосовместимость полученных образцов in vitro в модельной адгезионной культуре.
Работа была выполнена на базе Лаборатории биотехнологии новых биоматериалов Сибирского федерального университета.
Всё более распространенными становятся ситуации, когда повреждение кости несет за собой утрату её участка, в этом случае на месте отсутствующего участка должна быть полностью восстановлена структура ткани с сохранением ее морфофизиологических функций.
Перспективным способом лечения таких повреждений является тканевая инженерия - научная отрасль, которая занимается созданием элементов для живого организма с целью восполнения тканевого дефекта. Она включает в себя принципы инженерии, биологии и медицины, что дает ей возможность для стремительного развития в современном мире [2]. Именно тканевая инженерия позволяет создавать анатомо-индивидуальный каркас, который будет подходить человеку независимо от его биологических особенностей.
Её принципиальная схема заключается в том, что клетки человека сначала культивируют, а затем наращивают на специальных носителях - скаффолдах, которые обладают специальными условиями для клеточной адгезии и дальнейший пролиферации. В роле скаффолдов могут выступать изделия, состоящие из металла, биокерамики, а также природных или синтетических биополимеров. Для обеспечения высокого регенеративного потенциала таких материалов к ним предъявляется ряд требований, которым они должны соответствовать:
• обеспечение биосовместимости и биоинтеграции;
• перенятие на себя опорной функции ткани;
• полное восполнение дефекта ткани;
• стимулирование нормального роста и дифференцировки клеток.
В настоящее время в целях тканевой инженерии исследовано большое количество материалов-претендентов для изготовления биосовместимых скаффолдов, однако идеального носителя ещё не найдено, в связи с чем растет востребованность в разработке новых и модификации уже известных материалов, которые будут отвечать всем требуемым свойствам. В последние годы преимущество отдаётся исследованиям в области биоразрушаемых биополимеров - к ним относятся полилактиды, полигликолиды, полигидроксиалканоаты (ПГА) и др. Важными их особенностями являются биодеградация и возможность модификации поверхности, что даёт предпосылки к созданию максимально приближенных анатомо¬индивидуальных каркасов для восполнения утраченного объема ткани.
Однако среди всех биопластиков можно выделить класс полигидроксиалканоатов как сочетающий в себе полную биосовместимость и биодеградацию, а также возможность получения сополимеров, характеризующихся различными физико-химическими и механическими свойствами.
Цель работы - конструирование пленочных матриксов из полигидроксиалканоатов и их исследование в качестве модельной системы скаффолда для адгезионных культур в целях репаративного тканегенеза костной ткани.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
1. изготовить плёночные матриксы из поли-3-гидроксибутирата и его сополимера с валератом (30 мол. %);
2. освоить методики ведения модельной клеточной культуры;
3. оценить физико-механические характеристики изготовленных образцов;
4. исследовать биосовместимость полученных образцов in vitro в модельной адгезионной культуре.
Работа была выполнена на базе Лаборатории биотехнологии новых биоматериалов Сибирского федерального университета.
1. Были получены и исследованы свойства 2 типов ПГА: гомогенный П3ГБ и сополимер с 3ГВ с содержанием последнего 30 мол.%.
2. Из полученных ПГА были сконструированы биополимерные пленки, исследованы их физико-химические и механические характеристики.
3. Показано, что включение в цепь звеньев валерата делает полимер менее жестким и более эластичным в сравнении с П3ГБ. Также включение молекул 3ГВ повышает показатели шероховатости, что благоприятствует адгезии клеток, в отличии от более гладкой и гидрофобной поверхности пленки из П3ГБ. То есть П3ГБ/3ГВ с включением 30 мол.% валерата предпочтительнее для целей тканевой инженерии, чем П3ГБ. Его исследованные характеристики наиболее приближены к параметрам кости человека.
4. Важным показателем является полная биосовместимость полученных ПГА с клеточной линией остеобластов. Свойства поверхности напрямую влияют на адгезию и рост остеобластов CN417D-250. В ходе исследования было продемонстрированно, что матричные носители из П3ГБ и П3ГВ/3ГВ не оказывали цитотоксического влияния на клетки, это дает возможность для их использования в тканевой инженерии с целью восполнения костного дефекта. По полученным в эксперименте результатам можно сделать вывод, что биополимерные пленки являются благоприятной матрицей для адгезии и пролиферации клеток, количество которых на 3-и сутки превышает контроль.
2. Из полученных ПГА были сконструированы биополимерные пленки, исследованы их физико-химические и механические характеристики.
3. Показано, что включение в цепь звеньев валерата делает полимер менее жестким и более эластичным в сравнении с П3ГБ. Также включение молекул 3ГВ повышает показатели шероховатости, что благоприятствует адгезии клеток, в отличии от более гладкой и гидрофобной поверхности пленки из П3ГБ. То есть П3ГБ/3ГВ с включением 30 мол.% валерата предпочтительнее для целей тканевой инженерии, чем П3ГБ. Его исследованные характеристики наиболее приближены к параметрам кости человека.
4. Важным показателем является полная биосовместимость полученных ПГА с клеточной линией остеобластов. Свойства поверхности напрямую влияют на адгезию и рост остеобластов CN417D-250. В ходе исследования было продемонстрированно, что матричные носители из П3ГБ и П3ГВ/3ГВ не оказывали цитотоксического влияния на клетки, это дает возможность для их использования в тканевой инженерии с целью восполнения костного дефекта. По полученным в эксперименте результатам можно сделать вывод, что биополимерные пленки являются благоприятной матрицей для адгезии и пролиферации клеток, количество которых на 3-и сутки превышает контроль.
Подобные работы
- Конструирование полимерных микрочастиц для инкапсулирования лекарств
Бакалаврская работа, биология. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2017 - ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕРМАЛЬНОГО ЭКВИВАЛЕНТА НА БАЗЕ БИОПОЛИМЕРНЫХ НОСИТЕЛЕЙ
Бакалаврская работа, биология. Язык работы: Русский. Цена: 5750 р. Год сдачи: 2017 - Исследование адгезивных свойств композитных матриксов на основе полигидроксиалканоатов в культуре мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток
Бакалаврская работа, биология. Язык работы: Русский. Цена: 5600 р. Год сдачи: 2016 - ОЦЕНКА БИОСОВМЕСТИМОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Бакалаврская работа, биология. Язык работы: Русский. Цена: 4750 р. Год сдачи: 2020