НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ БИОПЛАСТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
NANOSTRUCTURED BIOPLASTIC MATERIAL

Изобретение относится к медицине, а именно к комбустиологии пластической хирургии, косметологии, и может найти применение в качестве биоматериала для замещения дефектов покровных тканей и стимуляции регенерации.
В последнее время на основе полученных новых данных изучения механизмов регенерации тканей и органов с целью восстановления утраченных функций интенсивно развивается тканевая инженерия и регенеративная медицина. Целью данного направления является создание органов и тканей de novo, которые достигаются благодаря трансплантации клеток на матрицах-носителях.
Матрица-носитель или матрикс - это синтетический или биологический комплекс, обеспечивающий механическую прочность конструкции, ее пространственную 3D 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.
Известен биопластический материал (Патент RU № 2367476, опубл. 20.09.2009), включающий основу в виде матрицы, где в качестве материала матрицы используют нативную форму гиалуроновой кислоты, имеющей волокнистое строение и формирующей эластичную пластину, он также содержит противомикробные вещества.
Однако применение вышеуказанного материала неэффективно, если размеры ячейки матрицы слишком малы или слишком велики, т.к. это влияет на механическую прочность конструкции, поддержание адгезии, фиксацию, пролиферацию и дифференцировку помещенных на ее поверхность клеток.
Технический результат - повышение клинической эффективности использования биопластического материала за счет повышения адгезии и создания оптимальных условий в ране для клеточной миграции.
Указанный технический результат достигается тем, что в наноструктурированном биопластическом материале, включающем в себя нативную форму гиалуроновой кислоты, основой является наноструктурированная матрица, имеющая ячеистое строение в диапазоне от 50 до 100 нм.
В качестве материала матрицы используют нативную форму гиалуроновой кислоты, имеющей волокнистое наноструктурированное строение, способное формировать эластичную пластину.
Фотохимическая сшивка нитей гиалуроновой кислоты формирует основу устойчивого пространственного каркаса, то есть сетку с ячейками, размеры которых варьируются от 10 нм до 10 микрон в зависимости от условий получения. В исходном биоматериале эти наноячейки заполнены молекулами воды, но в них могут быть включены молекулы различных лекарственных веществ, необходимых для лечения конкретных видов кожных поражений. Пространственные наноячейки формируются не только редкими сшивками, но и пространственными сближениями нанонитей, где возможно образование лабильных водородных связей. Такая организация пространственной наноструктуры комбинацией устойчивых и лабильных связей делает биоматериал пластинчатым, позволяет ячейкам подстраиваться под размеры включаемых молекул и допускает относительно свободную диффузию кислорода. Биоматериал способен впитывать воду из внешней среды, при этом увеличивается вес и объем пленки.
Наноструктурированный биопластический материал с ячейкой более 100 нм не обладает заданной прочностью и эластичностью, он приобретает повышенную хрупкость и ломкость. Это ведет к снижению сохранности структуры биоматериала при транспортировке. В ране такой материал утолщается за счет впитывания раневой жидкости, что снижает аэрацию поврежденных подлежащих тканей.
Получение материала с ячейкой менее 50 нм не позволяет вводить в состав биопластического материала лекарственные средства в достаточном количестве. А также снижает аэрацию подлежащих тканей, ухудшает миграцию клеток, приводит к присоединению вторичной инфекции, что в целом ведет к затягиванию сроков заживления.
На чертеже представлено изображение атомно-силовой микроскопии наноструктурированного биопластического материала.
До настоящего времени полноценную полимеризацию гиалуроновой кислоты удавалось проводить лишь с использованием дополнительного реагента, что приводило к ее химической модификации. Данное обстоятельство является неблагоприятным, так как приводит к сенсибилизации иммунокомпетентных клеток организма.
Для достижения полноценной полимеризации с образованием оптимальной матрицы авторами применялся нанотехнологический подход, который позволяет воздействовать на пространственную ориентацию молекул гиалуроновой кислоты и получать сетку с ячейками, размеры которых варьируются от 10 до 10 микрон.
Технология получения биопластического материала следующая.
Для производства биоматериала разработана трехмодульная технологическая линия: 1) модуль активации исходного сырья (гиалуроновая кислота); 2) модуль фотохимического наноструктурирования, в котором нанонити формируют основу устойчивого пространственного каркаса, то есть сетку с ячейками, размеры которых варьируются от 50 до 100 нм; 3) модуль стерильной упаковки.
В первом модуле готовится раствор гиалуроновой кислоты в диапазоне концентраций 1-10%. Путем шейкеризации образуется вязкая гелевая масса, которая подается на второй модуль, где осуществляется стадия фотохимического наноструктурирования гидроколлоида гиалуроновой кислоты с получением эластично-упругого материала.
Применение разработанных нанотехнологий в производственном процессе изготовления биоматериала позволяют получать оригинальный биопластический материал с заданными биоинженерными свойствами. В отличие от лучших мировых аналогов (например, биоматериала «HYAFF» фармацевтической группы Bristol Meyers Squibb (Conva Tech.)) предлагаемый биоматериал наряду с эластичностью обладает высокой адгезией к раневым поверхностям покровных тканей. Это позволяет лечить кожные поражения (включая обширные ожоги) бесперевязочным способом, а благодаря прозрачности материала визуально контролировать эффективность терапии. Наноструктурирование биоматрицы придает высокую гидрофильность и обеспечивает дренажные свойства биоматериала в ране, что создает оптимальные условия для эффективной клеточной миграции при регенеративном процессе. Это сокращает сроки заживления ран.
Таким образом, по сравнению с прототипом разработанный наноструктурированный биопластический материал обладает следующими свойствами (см. таблицу):
1. Биоматериал эластичен, он легко сгибается, может изменять и сохранять приданную форму.
2. Легко прокалывается иглой и режется скальпелем.
3. При смачивании биоматериала жидкостью, кровью объем его не увеличивается, что особенно важно при укладке биоматериала на дефект покровных тканей.
4. Поверхность его гладкая; он представляет собой прозрачную пленку, сквозь которую возможно визуально контролировать процесс укладки биополимера на подготовленное ложе.
5. Обладает высокими адгезионными свойствами, он после укладки буквально «прилипает» к тканям подготовленного ложа, что обеспечивает повышенную адгезию и создает оптимальные условия для клеточной миграции и ускоренного заживления дефектов кожных покровов различной этиологии.
Сравнение наноструктурированного биопластического материала и аналогичных неструктурированных биопластических материалов представлено в таблице 1.
Таблица 1
Параметр
Наноструктурированный биопластический материал
Биопластический материал. Патент № 2367476
Биопластический материал «HYAFF»
1. Получение
Фотохимическое наноструктурирование
Лиофильная сушка исходного материала
Кросслинкинг химически модифицированных форм
2. Оптические свойства
Прозрачная
Непрозрачная
Непрозрачная
3. Содержание внешних примесей
-
-
+
4. Дренажные свойства
+
-
-
5. Способность удерживать лекарственные препараты
+
-
-
6. Адгезия
+
-
-
7. Время биодеградации в ране
165 часов (оптимальная)
3-5 часов
Не деградирует
8. Клеточная совместимость in vitro и поддержка митоза клеток.
Совместима и поддерживает митоз клеток
Совместима, не поддерживает митоз
Нет
9. Особенности применения
Не требует перевязок и дополнительной фиксации
Требует перевязок и дополнительной фиксации
Требует перевязок и дополнительной фиксации
Изображение атомно-силовой микроскопии (АСМ) непосредственно доказывает наноструктурное строение биопластического материала. Свойства биопластического материала, указанные в таблице, являются следствием и косвенным подтверждением наноструктурированности материала.
Разработанный наноструктурированный биопластический 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 наноструктурированный биопластический материал обеспечивает естественный дренаж и создает оптимальные условия для миграции эпителиальных клеток.
В предложенном техническом решении используется нативная (природная) молекула гиалуроновой кислоты, которая наиболее специфична для человеческого организма и отличается экологичностью, безопасностью и низкой себестоимостью.
Анализ результатов гистологического и гистохимического исследования полученного биоматериала свидетельствует о том, что данный материал отличается уникальной фиброархитектоникой.
Наличие гиалуронового аморфного матрикса в материале обеспечивает ему высокую прочность. Данная фиброархитектоника максимально приближена к строению межклеточного вещества нативных тканей и может быть использована комбустиологами (лечение ожогов, в том числе обширных), при лечении больных с диабетической стопой (язвенные поражения стоп у больных сахарным диабетом), венозно-трофических язв (нарушение венозного кровотока), в пластике дефектов барабанной перепонки, при восстановлении клеточных кожных слоев после процедур пилинга (ультразвукового, лазерного, химического) и дермабразии, а также как косметическая маска в терапевтической косметологии с целью «омоложения» кожи.