Биодеградируемая 3D-матрица для заживления дефектов кожи на основе композитного поликапролактона
BIODEGRADABLE 3D MATRIX FOR HEALING SKIN DEFECTS BASED ON COMPOSITE POLYCAPROLACTONE

Изобретение относится к медицине, и может быть использовано в местном лечении ран кожных покровов с целью заполнения раневого дефекта для дальнейшего замещения собственной тканью организма и стимуляции ее регенерации. Изобретение обеспечивает дренирование раны, улучшение трофики и заживление дефекта кожи; увеличивает эстетичность образующегося рубца.
Известна биорассасываемая коллагеновая матрица (RU 2353397 C2), которая содержит нативный нереконструированный коллаген I типа.
Известен гистоэквивалент-биопластический материал (RU 2513838 C1), включающий основу в виде матрицы, в качестве материала которой используют нативную форму гиалуроновой кислоты.
Известен имплантируемый матриксный материал для регенеративной медицины (RU 2597085 C2) на основе растительного полисахарида - пектина со степенью этерификации не более 50% и белков внутриклеточного матрикса - коллагенов I и IV типов.
Известна матрица для регенерации мягких тканей (RU 2526182 C1), состоящая из фотополимеризующейся композиции на основе олигомеров метакрилового ряда.
Недостатками использования ныне существующих биополимерных матриц являются высокая стоимость, иммунологические реакции, труднодоступность материала, риск инфицирования, в случае матриц на основе природного происхождения; отсутствие четко структурированной пространственной организации волокон в случае синтетических полимерных матриц для заживления кожи.
Прототипом является композиция биорезорбируемого 3D-матрикса для восстановления дефектов костной ткани (RU 2762511 C1)
Недостатком прототипа является то, что его состав и форма разработаны для целей восстановления костных дефектов, и не подходят для восстановления кожных покровов.
Задачей изобретения является разработка кожной 3D-матрицы с целью восстановления дефектов кожи.
Технический результат заключается в разработке оптимального состава и параметров формы кожной 3D-матрицы для заживления повреждений ткани кожи, обеспечение безопасности ее применения.
Технический результат достигается тем, что 3D-матрица имеет заданную пространственную организацию 90° по осям x, y, z с образованием микроячеек, в совокупности составляющих объемную ячеистую сетку со стороной ячейки в 1,5 мм, диаметром нити 0,3 мм, высота слоя при печати которой составляет 0,05 мм, а композиция биорезорбируемой 3D-матрицы для восстановления дефектов кожи включает следующие компоненты, в массовых долях:
Поликапролактон (PCL) - 85,0
Полиэтиленгликоль 4000 (PEG) - 10,0
Полилактид (PLA) - 5,0.
Сама 3D-матрица является трехмерным объектом, напечатанным на 3D-принтере, с четко заданной пространственной организацией (90° по осям x, y, z) с образованием микроячеек, в совокупности составляющих объемную ячеистую сетку со стороной ячейки в 1,5 мм, диаметром нити 0,3 мм, высота слоя при печати которой составляет 0,05 мм.
Разрабатываемая 3D-матрица для восстановления повреждений кожи позволяет напечатать имплантаты необходимого размера на 3D-принтере, реализуя принцип персонализированной медицины. 3D-матрицы не требуют специальных условий для хранения, так как изготавливаются индивидуально, непосредственно перед применением, герметично упаковываются и стерилизуются. 3D-матрица производится в асептических условиях и передается заказчику в стерильной упаковке.
ИЗОБРЕТЕНИЕ ПОЯСНЯЕТСЯ ФИГУРАМИ (Фиг. 1-3)
На фиг. 1 Биодеградируемая трехмерная конструкция вид сверху.
На фиг. 2 Биодеградируемая трехмерная конструкция вид сбоку.
На фиг. 3 3D-модель биодеградируемой трехмерной конструкции.
Конструкция состоит из нитей композитного поликапролактона, расположенных взаимно перпендикулярно по трем осям, образуя в совокупности объемную ячеистую сетку со стороной ячейки в 1,5 мм, диаметром нити 0,3 мм, высота слоя при печати которой составляет 0,05 мм.
Исходными материалами для изготовления 3D-матрицы являются следующие компоненты, в массовых долях: поликапролактон (PCL) - 85,0; полиэтиленгликоль 4000 (PEG) - 10,0; полилактид (PLA) - 5,0. Исходные материалы в заданной пропорции закладываются в экструзионную линию для изготовления пластиковой нити для 3D принтера. После чего, полученная нить используется для печати 3D-матрицы на 3D-принтере.
Напечатанная 3D-матрица для заживления дефектов кожных покровов используется следующим образом: хирургически подготовленная раневая поверхность измеряется хирургом, затем в условиях стерильности вскрывается упаковка с 3D-матрицей, при необходимости ей придается форма, соответствующая раневому дефекту стерильным инструментом. После этого 3D-матрица накладывается на раневой дефект, фиксируется к краям раневой поверхности швами, для предупреждения смещения и микроподвижности, и покрывается сверху стерильной пленкой или повязкой. В процессе перевязок хирург может добавлять на 3D-матрицу различные компоненты, в зависимости от выбранной тактики лечения повреждения (факторы роста, антисептики, и т.д.). По прошествии времени раневой дефект заполняется собственной тканью, а композиция на основе поликапролактона, из которого состоит 3D-матрица, биодеградирует под воздействием макрофагов организма.
2
В проводимом нами исследовании на 10 белых крысах линии Wistar, производилось создание повреждения кожи 1,6×1,6 см задне-латеральной поверхности задних конечностей, с последующим применением разработанной нами 3D-матрицы и закрытием сверху стерильной защитной повязкой. Хирургически подготовленная раневая поверхность измерялась хирургом, затем в условиях стерильности вскрывалась упаковка с 3D-матрицей, стерильным инструментом ей придавалась форма, соответствующая раневому дефекту. После этого 3D-матрица накладывалась на раневой дефект, и покрывалась сверху стерильной повязкой. Ежедневно производилась замена повязки и оценка состояния раны. Планиметрическое исследование площади раны осуществлялось на 0, 3, 7, 10 и 14 сутки эксперимента. Данные планиметрического исследования свидетельствуют о более быстром уменьшении площади ран в опытной группе по сравнению с контролем (исходная площадь ран была 258,2±0,4 мм. На протяжении всего срока наблюдения площади ран в контрольной и опытной группах имели статистически значимые различия. Процесс заживления протекал быстрее в опытной группе по сравнению с контрольной. Установлено, что заживление кожной раны происходило на 10-е сутки, с формированием эстетичного рубца. Результаты планиметрического исследования представлены в табл. 1.
Для световой микроскопии материал (фрагмент кожи вместе с имплантируемой 3D-матрицей) на 3, 7, 14, 21 и 30 сутки после имплантации фиксировали в 10%-ном водном растворе нейтрального формалина. Заливку парафином и микротомирование проводили по стандартным протоколам. Срезы толщиной 5-7 мкм окрашивали гематоксилином и эозином.
В результате гистологического исследования выявлено, что на 3-и сутки после имплантации 3D-матрицы на основе поликапролактона в дерме произошла дезорганизация волокнистых структур. При этом на поперечных срезах их форма варьировала от уплощенной до округлой. Между волокнами определялись большие межфиброзные промежутки, что может косвенно свидетельствовать о сохранении интерстициального отека к этому времени. Также в поле зрения определялось большое количество, как отдельных фибрилл, так и объединенных в волокна.
К 7-м суткам в месте имплантации наблюдалась активная миграция клеток. Клеточный состав представлен в основном лимфоцитами, многочисленными макрофагами и единичными фибробластическими клетками. При исследовании волокнистого компонента вокруг нитей каркаса определялись строго ориентированные в одном направлении коллагеновые волокна, толщина которых составила 0,13 [0,09; 0,16] мкм. Ориентация коллагеновых структур повторяла форму структур имплантата - они распространялись как циркулярно вокруг нитей каркаса, так и параллельно, прорастая между нитями поликапролактона.
На 14-й день эксперимента вокруг структур 3D-матрицы наблюдалось увеличение количества коллагеновых структур. Толщина волокна увеличилась до 0,24 [0,18; 0,84] мкм. При этом отмечена определенная пространственная закономерность - сагиттально направленные волокна располагаются более компактно, практически не имеют межволоконных промежутков. Фронтальные волокна расположены более рыхло, они тонкие и имеют большое количество разветвлений. Такая организация волокнистых структур является основой построения соединительнотканной капсулы и прорастания в нее сосудов, а также позволяет судить о завершении этапа адаптации и перестройки дермы для дальнейшего формирования соединительнотканная капсула, отделяющая каркас от окружающей ткани.
По данным гистологического исследования полная биодеградация 3D-матрицы в организме крысы наступала на 21-е сутки.
Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о том, что 3D-матрица на основе композитного поликапролактона обладает хорошей биосовместимостью, вызывает слабую воспалительную реакцию, способствует формированию соединительнотканного каркаса к 14-м суткам.