Отправить новость
1347 просмотров Версия для печати

Ученый лаборатории ТПУ работает над созданием технологии, перспективной для регенерации костной ткани

Ведущий научный сотрудник центра RASA Томского политехнического университета Дмитрий Горин в составе международной группы ученых работает над одной из задач тканевой инженерии — задачей регенерации костной ткани. Разработано новое покрытие из минерала фатерита (ватерита) для нановолокнистого материала, использующегося в качестве каркаса для роста клеток костной ткани.

Фото: yandex.ru/images

Подробнее с исследованием можно ознакомиться в научной статье, опубликованной в журнале Journal of Biomedical Materials Research Part A (IF 3, 263).

На матрицу, состоящую из волокон поликапролактона, было нанесено новое покрытие, свойства которого являются предметом изучения данной работы.

Ученые получили нетканный материал поликапролактон (poly(e-caprolactone – PCL) методом электроформования. Эта технология  сначала была создана в СССР в 30-х годах прошлого века, но долгое время была засекречена. Потом ее открыли вновь уже в США. В регенеративной медицине нетканные материалы, полученные методом электроформования, могут быть успешно использованы как каркасы тканеинженерных материалов из-за их уникальных физико-химических свойств, благодаря их наноструктурной природе.

«Опубликованная нами работа открывает новые возможности для создания каркасов для роста костной ткани, и в этом плане она является действительно новой и оригинальной. Особенность работы заключается в том, что мы взяли хорошо известную матрицу из поликапролактона, и вырастили на поверхности ее нановолокон покрытие из одной из полиморфных модификаций карбоната кальция (CaCO3) — фатерита — очень интересного материала с точки зрения доставки лекарств (так как он имеет пористую структуру). Кроме того, в организме фатерит при определенных условиях  может перекристаллизовываться в компоненты  костной ткани. Поэтому композит  фатерит/поликапролактон является перспективным материалом для создания костных имплантов», — комментирует соавтор исследования, доктор химических наук Дмитрий Горин, ведущий научный сотрудник лаборатории новых лекарственных форм центра RASA Томского политехнического университета, а также профессор Саратовского государственного университета.

В природе фатерит — очень редкий минерал ввиду того, что его структура неустойчива в условиях поверхности Земли. У фатерита есть два гораздо более распространенных аналога с той же химической формулой (CaCO3): арагонит и, самый широко встречающийся, кальцит. Подобные явления — существование вещества с одной химической формулой, но с разными типами кристаллической структуры  — носят в минералогии название «полиморфизм».

Фото: Изображение композитного материала фатерит/поликапролактон, полученное методом сканирующей электронной микроскопии. 

Фатерит — биоминерал, обнаруженный в природе как составляющая часть скелета некоторых брюхоногих моллюсков.

Чтобы клетки начали расти, им нужно предоставить основу. Эта основа может быть различной: нужно подобрать именно ту, свойства которой обеспечивают быстрый рост клеток, а следовательно, быструю регенерацию тканей. К этому материалу предъявляются определенные требования по проницаемости среды для различных веществ, а также паропроницаемости. После трансплантации каркас запускает процесс роста клеток, а затем деградирует. По словам Дмитрия Горина, если речь идет о создании будущей костной ткани, то в этом случае деградация композитного каркаса будет идти достаточно медленно, около месяца и более, чего вполне достаточно для замещения импланта новообразованной костной тканью.

Основой является наноструктурированная  матрица из поликапролактона, на поверхность волокон  которой нанесены поликристаллические агрегаты фатерита (CaCO3), который при перекристаллизации в организме превращается в гидроксиапатит (Ca5(PO4)3(OH)) — минерал, из которого состоит скелет человека. Такое превращение возможно благодаря взаимодействию импланта с кровью и другими биологическими жидкостями. Если рассмотреть кровь с точки зрения ионного состава, она содержит фосфат-ион (PO4)3- (в фосфатной буферной системе). Именно этот фосфат-ион взаимодействует с фатеритными частицами покрытия, в результате чего происходит реакция перекристаллизации с образованием гидроксиапатита. Механизм процесса перекристаллизации фатерита в гидроксиапатит был подробно рассмотрен учеными в их предыдущей работе.

«Костные импланты актуальны, когда речь идет о дефекте в кости, который возместиться сам не может. Сейчас мы ведем работу по созданию костных имплантов вместе с коллегами из Саратовского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии»,

— говорит Дмитрий Горин.

Волокна из поликапролактона получают, как было упомянуто выше, методом электроформования. Принцип метода заключается в том, что раствор полимера под давлением подается в иглу и за счет разности потенциалов, приложенной между иглой и вторым электродом, формируется нить с субмикронным диаметром. Нить свободно падает на подложку, являющуюся вторым электродом, и формирует нетканный материал.

Полученные нити можно сделать ориентированными, но для описанных в статье задач они должны были быть расположены хаотично, неупорядоченно. Современные мембранные материалы, использующиеся в изготовлении одежды, являются проницаемыми для пара, но не пропускают воду, и делаются по той же технологии.

В дальнейшем ученые предполагают изучить поведение нового материала импланта in vivo (в живом организме) для того, чтобы выяснить возможность применения данного материала для регенерации костной ткани.

Справка:

Фатерит – нестабильный поликристалл, в поры (размером до 30 нм) которого можно инкапсулировать полезные вещества в процессе роста. Фатерит можно кристаллизовать из раствора хлорида кальция (CaCl2) и кабоната натрия (Na2CO3) в определенных условиях: такой синтез будет называться гомогенным. А можно растить кристаллы на заранее подготовленной подложке, что и происходило в данном случае. При формировании покрытий ученые использовали ультразвуковую обработку и подбирали оптимальные условия синтеза, среди которых большую роль играют концентрации исходных веществ и длительность протекания реакции. В поры в кристаллах фатерита во время его роста можно поместить как низкомолекулярные вещества (антибиотики, например), так и факторы роста (вещества, влияющие на рост костной ткани). Высвобождение полезных веществ из структуры фатерита происходит одновременно с его перекристаллизацией при взаимодействии в организме с кровью, или другой средой, в которой есть фосфат-ионы. Это свойство делает фатерит перспективным материалом для адресной доставки лекарств.

Работа выполнена при участии коллег из Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, Гентского университета (Бельгия) и Института кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН (Москва). 

Заметили ошибку?
Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter