Применение полимеров в восстановительной хирургии

Цель настоящей работы состояла в синтезе гидрогелей на основе ГЭМА с повышенным содержанием воды и в изучении возможности использования синтезированных материалов для изготовления эндопротезов, используемых в восстановительной хирургии. Поставленную задачу решали с помощью реакции сополимеризации - наиболее широко применяемого способа химической модификации полимеров [5]. В качестве сомономеров использовали акриламид, акриловую и метакриловую кислоты, а в качестве сшивающего агента - тридекаэтиленгли-кольдиметакрилат (ТГМ-13).

Экспериментальная часть

Полимерные гидрогели получали радикальной сополимеризацией водных растворов ГЭМА, сомономера и сшивающего агента, используя в качестве инициатора полимеризации окислительно-восстановительную систему персульфат аммония - N,N,N',N'-тетраметилэтилендиамин.

Степень набухания гидрогелей рассчитывали по формуле

S_r = (m₁/m₂) - 1,

где m₁ и m₂ - массы равновесно набухшего и высушенного гидрогелей соответственно.

Механические испытания на одноосное сжатие образцов полимерных гидрогелей в виде цилиндра (10x10 мм) проводили на приборе фирмы "Instron" (Великобритания). Из полученных данных определяли модуль Юнга, характеризующий сопротивление деформации при изменении нагрузки

E = G/l,

где G - напряжение, а l - относительная деформация.

Количество карбоксильных групп измеряли методом прямого титрования. Для этого к мелко измельченной навеске (~2 г) гидрогеля добавляли 5 мл воды и титровали его 0,1 н. раствором гидроокиси калия. В качестве индикатора использовали фенолфталеин.

Результаты и их обсуждение

Очевидно, что для повышения степени набухания полимерного гидрогеля необходимо в состав образующих его макромолекул вводить звенья более гидрофильного сомономера.

Одним из таких сомономеров является хорошо изученный и уже нашедший применение в медицине акриламид - гидрофильный мономер акрилового ряда, обладающий высокой активностью в реакциях радикальной полимеризации.

Свойства двух групп гидрогелей, полученных в присутствии двух различных количеств сшивающего агента, приведены в табл. 1. Видно, что введение акриламида в исходную мономерную смесь действительно приводит к заметному повышению степени набухания гидрогелей и увеличению эластичности при механических нагрузках, о чем свидетельствует уменьшение модуля Юнга.

Путем полимеризации в форме водного раствора, содержащего 60 мас.% ГЭМА, 3 мас.% акриламида и 1 мас.% ТГМ-13, были изготовлены протезы глазного яблока, которые представляют собой шарики с диаметром 16-18 мм. Эндопротезы были имплантированы кроликам и было изучено изменение свойств материала в процессе эксплуатации эндопротезов в течение 24 мес. Результаты представлены в табл. 2. Видно, что наиболее заметные изменения свойств гидрогелей происходят через 12 мес. после имплантации. Поскольку собственный объем эндопротезов в значительной степени увеличивался, то это делало невозможным дальнейшее использование таких эндопротезов, несмотря на то, что в течение всего периода наблюдения эндопротезы демонстрировали хорошую биосовместимость, отсутствие токсичности, химозов и т. п.

Причинами наблюдаемого эффекта могли быть гидролиз сшивающего агента с уменьшением степени сшивки сополимера или гидролиз звеньев акриламида с образованием звеньев акриловой кислоты. Изучение состава материала извлеченных имплантатов показало, что по мере увеличения времени пребывания имплантата в организме степень гидролиза исходных амидных групп акриламида увеличивается (табл. 2), поскольку в области имплантации рН 8,0 (при этих значениях рН карбоксильная группа ионизована) наблюдаемое увеличение размеров имплантата обусловлено увеличением размеров макромолекул за счет электростатического отталкивания одноименно заряженных групп. Подобный эффект можно наблюдать в модельных условиях при термостатировании (t = 40-45°) гидрогелей на основе сополимеров ГЭМА и акриламида в щелочном растворе. Кинетика щелочного гидролиза акриламида подробно описана в работе [6].

Полученные результаты позволяют предположить, что для обеспечения постоянства размеров имплантата в процессе его эксплуатации в качестве второго сомономера следует использовать акриловую кислоту.

Некоторые характеристики полученных гидрогелей приведены в табл. 3, из которой видно, что степени набухания и модули Юнга сополимеров практически совпадают с соответствующими параметрами гидрогелей, полученных в результате щелочного гидролиза акриламидсодержащих гидрогелей. Можно еще больше увеличить степень набухания, заменив акриловую кислоту метакриловой кислотой (табл. 3).

Следует также отметить, что сополимеры ГЭМА с акриловой и метакриловой кислотами не подвержены щелочному гидролизу. Это было подтверждено результатами изучения свойств эндпротезов на основе этих материалов после их имплантации в организм. Размеры имплантатов и их основные физико-механические свойства практически не изменялись в течение 31 мес. после имплантации.

Глава 6. БИОМАТЕРИАЛ «ГИАМАТРИКС» - НОВЫЙ БИОПОЛИМЕР НА ОСНОВЕ ГИАЛУРОНОВОЙ КИСЛОТЫ

По ежегодным данным Минздравсоцразвития РФ (Госдоклад 2005, 2006 г.), количество пострадавших от ожогов составляет в среднем около 700 тыс. человек ежегодно. В настоящее время в России имеется 82 ожоговых центра, однако потребность в них во много раз больше, поскольку в этих центрах получают лечение лишь 23% пострадавших от ожогов, а 77% госпитализируются в хирургические и травматологические отделения. Лечение ожоговых больных весьма дорогостоящее и сопровождается сложной медицинской реабилитацией. В США, например, на лечение больного, у которого обожжено 40% поверхности кожи тела, расходуется 180-200 тыс. долл., в Израиле - 90-100 тыс. долл. Каждый год миллионы людей получают сильные ожоги. Применение искусственных заменителей кожи позволяет быстрее восстановить поврежденные кожные покровы.

В последнее время на основе полученных новых данных изучения механизмов регенерации тканей и органов с целью восстановления утраченных функций кожных покровов интенсивно развивается тканевая инженерия и регенеративная медицина. Целью данного направления является создание органов и тканей de novo, которая достигается благодаря трансплантации клеток на матрицах-носителях.

Матрица-носитель, или матрикс, - это синтетический или биологический комплекс, обеспечивающий механическую прочность конструкции, ее пространственную 3-D ориентацию. Основными критериями биологически совместимой матрицы для создания тканеинженерной конструкции должны быть: отсутствие цитотоксичности, поддержание адгезии, фиксации, пролиферации и дифференцировки помещенных на ее поверхность клеток, отсутствие воспалительной реакции на материал и иммунного ответа, достаточная механическая прочность в соответствии с назначением, биорезорбируемость обычными метаболическими путями [1, 3]. Из современных мировых разработок пластических материалов с использованием клеточных технологий необходимо отметить следующие [4, 5, 6, 7]:

1. Пластический материал Integra компании Integra LifeSciencesHoldings Corporation. Integra состоит из двух слоев: внутренний, прилегающий к ране, построен из коллагенового матрикса и покрыт слоем хондроитин-6-суль-фата. Можно сказать, внутренний слой является примитивным подобием базальной мембраны, которая также состоит из коллагеновых волокон, покрытых протеогликанами. Внешняя сторона Integra изготовлена из синтетического полисилоксанового полимера.

2. OrCel - matrix, производимая Ortec International Inc. В данном пластическом материале коллагеновые волокна ориентированы в губчатом порядке, в их ячейках располагаются клеточные элементы. Такая архитектоника в виде «губки» обеспечивает благоприятную окружающую среду для перемещения трансплантированных и собственных клеток реципиента.

3. Apligraf (Grafskin) - это пластический биоматериал, созданный компанией Organogenesis (США), по структуре аналогичен OrCel - matrix, но в отличие от него дополнительно содержит матричные белки и цитокины.

Самой успешной разработкой в мире среди различных пластических материалов является полимер на основе химически модифицированной гиалуроновой кислоты - HYAFF. HYAFF синтезирован в университете Padova (Италия) благодаря поддержке европейского консорциума с участием ученых из Италии, Бельгии, Германии, Великобритании и производится медико-биотехнологическим концерном Tissue Tech.

Разработанный пластический материал является уникальным носителем трансплантируемых клеточных элементов, так как благодаря содержанию гиалуроновой кислоты и оптимальному составу по другим трофическим веществам клетки в его структуре не только сохраняют жизнеспособность, но и способны проявлять митотическую активность. На раневой поверхности HYAFF обеспечивает естественный дренаж и создает оптимальные условия для миграции эпителиальных клеток [2].

Однако вышеуказанные материалы малодоступны: требуют особых условий применения и отличаются высокой ценой даже для европейского уровня платежеспособности. Кроме того, в основе материала HYAFF имеется химически модифицированная гиалуроновая кислота, что снижает клиническую эффективность.

Поэтому исследования по разработке новых биопластических материалов с усиленной регенерацией на основе нативной гиалуроновой кислоты актуальны в современной биоинженерии.

Целью настоящего исследования явилось изучение влияния разработанного биоматериала на регенерацию дефекта кожного покрова в условиях экспериментальной раны.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

1. Установить, подвергается ли трансплантат биодеградации в условиях экспериментального раневого процесса (особенно в первую фазу) при закрытии дефекта кожных покровов.

2. Изучить, является ли биоматериал структурным каркасом при регенерации дефекта кожных покровов в эксперименте.

3. Оценить влияние биоматериала на скорость регенерации экспериментальной раны.

Материал и методы морфологического исследования

Морфологическое исследование выполнено на 30 белых крысах линии Wistar обоего пола, весом от 0,2 до 0,25 кг. В процессе эксперимента на крысах производилась экспериментальная ожоговая рана на поясничной области размером 1,5х1,0 см в асептических условиях в операционной вивария Оренбургского государственного университета. Для решения поставленных задач было сформировано две группы животных (крысы линии Wistar) - опытная (n=15), контрольная (n=15). В обеих группах на поясничной области подопытных формировалась экспериментальная рана (Методические указания Сан.Пин 1.2.97) (рис. 1), в опытной группе на ее поверхность апплицировался биоматериал (рис. 2), в контрольной группе рана оставалась неприкрытой.

Животных наблюдали в сроки от 1 суток до 23 суток. За время наблюдения проводилась прижизненная биопсия краев раны.

Результаты и их обсуждение

В опытной группе в первые сутки после укладывания биоматериала на только что сформированную экспериментальную рану наблюдалась его плотная адгезия к подлежащим тканям, после чего прекращалась кровоточивость раны. Биоматериал удерживался в ране в условиях высокой подвижности животного и при отсутствии фиксирующей повязки. К концу первых суток биоматериал подвергался незначительной краевой биорезорбции, однако сохранялся в ране.

На третьи сутки отмечено резкое уменьшение размеров экспериментальной раны, эпителизация раны происходила центростремительно, в центре сохранялась грануляционная ткань с элементами биоматериала. Биоматериал на данный период практически был метаболизирован (рис. 3).

На восьмые сутки наблюдалось полное заживление первичным натяжением экспериментальной раны у всех животных опытной группы, отмечена полная эпителизация без развития рубцовой ткани (рис. 4).

В контрольной группе в первые сутки экспериментальная рана велась открытым способом, отмечалась ее кровоточивость, формирование выраженной отечности. К концу первых суток наблюдался фибриновый сгусток.

На третьи сутки размеры раны уменьшились, сформировался выраженный струп. Однако по сравнению с опытной группой рана была больше в диаметре на 0,5-0,7 см (рис. 5).

Восьмые сутки: отмечена эпителизация краев раны к центру (площадь заживления составила в среднем 70-75%), в центре раны находилась грануляционная ткань с признаками воспалительных изменений (рис. 6). Окончательное заживление раны происходило лишь на 15-16-е сутки наблюдения за животными контрольной группы, тогда как в опытной группе этот срок составил 8-9 суток с момента начала эксперимента.

Анализируя полученные экспериментальные данные, можно заключить, что структурное построение разработанного биоматериала позволяет ему, претерпевая постепенный лизис, пролонгированно находиться в условиях термической раны (до 3-х суток) и тем самым, высвобождая биологически активные вещества, стимулировать регенерацию подлежащих тканей. Биоматериал создает оптимальную внеклеточную микросреду для миграции и усиления митотической активности клеток. Формирование регенерата происходило под покровом пластического материала, причем между трансплантатом и подлежащими тканями не было сращений и плотной связи, а существовало соединение диффузионного обмена.

Заключение

Использование пленок на основе природного полимера - хитозана (ХЗ), сочетающего в себе такие свойства, как биосовместимость с живыми тканями, биодеградируемость, биоинертность и бактериостатичность, для биомедицинских целей крайне перспективно. Преимущества таких полимерных пленок существенны, например, более высокая степень защиты по сравнению с тканевыми материалами, а также их полная атравматичность.

В настоящее время возрос интерес к получению раневых покрытий на полимерной основе. Одной из главных функций раневых повязок является защита раны от проникновения патогенной микрофлоры из окружающей среды. Традиционная ватно-марлевая повязка обеспечивает лишь надежную механическую защиту, но, поглощая раневое отделяемое, она становится благоприятной средой для развития патогенной микрофлоры.

Одной из серьёзных проблем фотодинамической терапии (ФДТ) остается повышение селективности накопления фотосенсибилизаторов (ФС) в пораженных тканях и органах и снижение терапевтической дозы вводимых препаратов.. При внутривенном способе введения большинства ФС накопление достаточной концентрации препарата в очаге поражения обычно сопровождается его высоким содержанием во всем организме, что является причиной длительного токсического эффекта и опасности экспозиции больного на свету.

Аминосодержащие биополимеры - го-мо- и гетерогликаны (хитозан) представляют большой интерес для медицинского применения благодаря их низкой токсичности и биологической активности. Результаты последних поисковых работ указывают на целесообразность создания биологически активных материалов на основе аминогликанов с пониженной степенью полимеризации и высокой концентрацией первичных аминогрупп, растворимых в водных средах. Перспективным является использование этого вида гликанов в комплексе с лекарственными средствами, что наряду с их способностью формировать пленки может найти применение при приготовлении материалов для временного покрытия раневых поверхностей.

В последнее время полимерные гидрогели (трехмерные сшитые системы на основе полимеров) нашли широкое применение в качестве поддерживающих и разделяющих сред для электрофореза и в гель-проникающей хроматографии, в качестве носителей иммобилизованных биологически активных соединений, материалов для изготовления эндопротезов, например искусственного хрусталика, и т.д. Причиной столь широкого и разнообразного применения гидрогелей является их уникальная пористая структура, обеспечивающая набухание гидрогелей в воде, высокую проницаемость для низко- и высокомолекулярных соединений, а также хорошую биосовместимость.

Таким образом, в настоящее время полимеры для медицины находят широкое распространение.

Размещено на Allbest.ru