1201 Знатнов_Бионаноматериалы. Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего образования Казанский государственный медицинский университет
 Скачать 101.35 Kb.
|
|
Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации Кафедра гистологии, цитологии и эмбриологии  Реферат на тему: Взаимодействие бионаноматериалов с клетками и внутриклеточными структурами. Критерии предъявляемые к биодеградируемым материалам. Экспериментальные исследования биологической безопасности и функциональных свойств биополимерных имплантатов. Выполнил: студент группы 1201 лечебного факультета Знатнов Егор Сергеевич Проверила: Бойчук Наталья Валентиновна, доцент кафедры гистологии, цитологии и эмбриологии, к.б.н. Казань, 2022 Содержание Взаимодействия бионаноматериалов с клетками и внутриклеточными структурами…...........................................................................................................3 Изменения физико-химических свойств наноматериалов in vivo и возможные биологические последствия……………………………………………………….3 Механизмы модулирующего действия наночастиц на клеточные системы…………………………………………………………………………4 Зависимость проницаемости биологических барьеров от размеров молекул веществ………………………………………………………………………….4 Механизмы проникновения химических веществ через биологические барьеры…………………………………………………………………………4 Биофункционализация наноматериалов………………………………5 Биодеградируемые материалы и предъявляемые к ним требования…………..6 Исследования биодеградируемых имплантатов……………………………….10 Заключение………………………………………………………………………..13 Список источников……………………………………………………………….14 Взаимодействия бионаноматериалов с клетками и внутриклеточными структурами Изучение токсичности наноконструкций – одно из наиболее важных направлений нанотоксикологии. Принципиальные вопросы при определении токсичности наноконструкций: влияние на жизнеспособность клетки и организма, изменения клеточных функций, механизм действия отдельных наночастиц и наночастиц в модельной системе и влияние длительности воздействия. Изменения физико-химических свойств наноматериалов in vivo и возможные биологические последствия. Наночастицы и наноматериалы обладают целым комплексом характеристик, которые могут существенным образом отличаться от спектра свойств исходно синтезированных веществ и сконструированных наносистем. Внесение изменений в состав наночастиц, размер, форму, пористость и других характеристик отражается на их биологическом действии. Многочисленными исследованиями показана непредсказуемость поведения наноконструкций в условиях in vivo. В качестве примеров возможного изменения характеристик веществ в наноразмерном состоянии при введении in vivo можно привести следующие: Увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе может приводить к модификации топологии связи атомов на поверхности и, в дальнейшем, к изменению их химических потенциалов, растворимости, реакционной и каталитической способности наночастиц и их компонентов. Высокая удельная поверхность наноматериалов может привести к увеличению адсорбционной емкости, химической реакционной способности и каталитических свойств, как следствие, увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода с последующим повреждением биологических структур (липидов, белков, нуклеиновых кислот). Вследствие малых размеров и разнообразия форм наночастиц возможно связывание с ДНК с образованием аддуктов, белками, встраивание в мембраны, проникновение в клеточные органеллы и, следствие, изменение функций биоструктур. Высокая адсорбционная активность облегчает адсорбцию на наночастицах различных контаминантов и их транспорт внутрь клетки. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает процессы адсорбции на них различных токсикантов и способность последних проникать через барьеры организма. Высокая способность к аккумуляции ведет к накоплению наноматериалов в растительных и животных организмах и увеличению их поступления в организм человека по пищевым цепям. Механизмы модулирующего действия наночастиц на клеточные системы • Прямой эффект: 1) собственно наночастиц (размер частиц); 2) их конгломератов. • Опосредованный эффект: 1) через продукты биодеградации; 2) через свободнорадикальные процессы (ОН-радикал) 3) через интегральные системы организма (нервная, эндокринная, иммунная); 4) через продукцию цитокинов, активирующих или подавляющих клетки. Зависимость проницаемости биологических барьеров от размеров молекул веществ. В большинстве случаев кривая зависимости "проницаемость – размеры молекул" носит S-образный характер, иными словами: чем меньше размер, тем меньше барьеров проницаемости. С увеличением размеров молекул их взаимодействие со стенками белковых каналов все в большей степени препятствует свободной диффузии. Так, радиус пор мембран эпителия желудочно-кишечного тракта составляет 0,3-0,8 нм. Химические вещества, поступающие в организм per os, и имеющие молекулярную массу менее 400 Д, могут проходить через эпителий кишечника, но лишь при условии, что молекулы имеют цилиндрическую форму. Для молекул шарообразной формы, граница проницаемости через эпителий желудочно-кишечного тракта – 150-200 Д. Механизмы проникновения химических веществ через биологические барьеры. Проникновение через биологические барьеры веществ может происходить разными путями. Любой биологический барьер формируется клеточными структурами и упрощенно представляет собой липидную поверхность с определенным количеством пор (каналов) разного диаметра. В качестве гидрофильных каналов выступают поры клеточных мембран и межклеточное пространство. Поступление полимерных наночастиц (ПН) в клетку состоит из нескольких последовательных этапов: интернализация ПН; эндоцитоз ПН и формирование комплексов с лизосомами; высвобождение терапевтических молекул в цитоплазму; деградация терапевтических молекул; экзоцитоз ПН; внутриклеточный транспорт терапевтических молекул в цитозоле, нахождение молекул-мишеней и взаимодействие с ними. Взаимодействие ПН с клеточными мембранами может быть фактором, ускоряющим проникновение наночастиц в клетку. Наночастица, покрытая биомолекулярной "короной", обеспечивающей комплементарность связывания с мембранными рецепторами на поверхности клетки, в отличие от наночастицы, лишенной биомолекулярного слоя. Биофункционализация наноматериалов Биофункционализированные наноматериалы или бионаноматериалы; нанобиоматериалы — наноразмерный искусственно синтезированный материал, модифицированный для придания ему биосовместимости с живыми средами, либо наномодифицированный материал биологического происхождения. Для придания синтетическим наноматериалам дополнительных функций — например, способности связываться со специфическими белками в организме, защиты от агрегации, более высокой растворимости в воде и др., часто используется приём химической модификации поверхности таких частиц. Современные методы диагностики, такие, как магнитно-резонансная томография, позволяют визуализировать только размер и форму органа или опухоли. Новые методы визуализации — с использованием биофункционализированных флуоресцирующих полупроводниковых маркеров — имеют большие перспективы: лиганды на поверхности маркера взаимодействует с белками, специфическими для конкретной структуры — раковой опухоли, холестериновых бляшек и т. п., а интенсивное «свечение» закрепленного маркера позволяет получить четкую картинку расположения и строения патологического образования. Наночастицы оксида железа имеют потенциал применения для гипертермии — уничтожения раковой опухоли за счет локального разогрева содержащей такие частицы поражённой области в магнитном поле. Функциональные группы на поверхности наночастиц оксида железа призваны предотвратить их агрегацию при введении в организм, ингибировать преждевременное растворение материала и обеспечить целевую доставку частиц в пораженную заболеванием область. Развивается аналогичная методика с использованием биофункционализированных наночастиц золота (разогрев области, где концентрируются такие частицы, проводят с применением лазера). Другой пример биофункционализации — использование кальций-фосфатных покрытий. При «вторжении» в организм любого искусственного имплантата практически всегда наблюдается воспалительный процесс — реакция тканей на контакт с инородным телом. Например, в ортопедии находят широкое применение титановые имплантаты — благодаря своей высокой прочности, легкости, коррозионной стойкости. Для придания титановым изделиям более высокой совместимости с организмом на их поверхность наносят керамическое покрытие из фосфатов кальция, которое воспроизводит состав кости: такое покрытие ещё больше снижает коррозию материала и обеспечивает дружественный отклик костной ткани. Биодеградируемые материалы и предъявляемые к ним требования Биодеградируемыми биосовместимыми материалами называются материалы, способные разрушаться после определенного времени имплантации с образованием нетоксичных продуктов, которые выводятся организмом или усваиваются им. Наиболее перспективными областями применения таких материалов в медицине являются: биодеградируемые шовные нити, матрица для доставки лекарств в определенные участки организма, сердечно-сосудистые, стоматологические и ортопедические хирургические временные крепежные элементы. В таблице 1 перечислены современные биоабсорбируемые материалы, главным образом, на основе лактидов, гликолидов и их сополимеров, выпускаемые рядом зарубежных фирм. Основным фактором, сдерживающим клиническое применение новых биодеградируемых материалов, является проблема регулируемости и контролируемости процессов их биодеструкции в реальных условиях организма. Наиболее изученными в этом плане являются полиуретаны. Было показано, что деструкция медицинского полиуретанового клея КЛ-3 в организме происходит, как по пути неферментативного гидролиза, так и клеточным путем. При этом резорбция полимерного материала протекает клеточным путем и связана, в основном, с двумя типами клеток – макрофагами, осуществляющими фагоцитоз мельчайших частиц полимера, и гигантскими клетками инородных тел, вызывающими его лизис. «Доля» клеточного компонента биодеструкции обычно тем более выражена, чем больше развита поверхность полимера, например, у перистогубчатых имплантатов, или на поздних этапах деструкции полимеров, когда поверхность имплантата увеличивается за счет эрозии. Эта закономерность сохраняется и для полиуретанов тривиального состава, как правило, подвергающихся неферментативному гидролизу, и для полиуретанов со «слабыми звеньями» (сложные эфирные группы, полисахаридные звенья), способных подвергаться ферментативному расщеплению. Таблица 1 Перечень, состав и область применения биоабсорбируемых материалов
В свете этого особое внимание уделяется разработке методов прогнозирования времени жизни имплантатов из биодеградируемых материалов с полностью охарактеризованными физико-химическими и физико-механическими свойствами, состоящей, в основном, из тестов трех уровней отбора (Stokes., 1993): – ускоренные испытания in vitro; – оценка биостабильности in vivo; – клинические испытания. Одной из главных причин осложнений при использовании биодеградируемых материалов является воспалительная и аллергическая реакция организма на продукты деструкции материала, проявление канцерогенности. Это необходимо учитывать при определении сроков тестирования биодеградируемых имплантатов. Выбор сырья, применяемого для изготовления биоматериала, будет зависеть от дальнейшей области использования: кровеносные сосуды, костная ткань, мышечная ткань, кожные покровы, нервные волокна. Биоматериал должен соответствовать определенным требованиям, предъявляемым к его механическим, химическим и биологическим свойствам. Механические свойства биологического материала должны соответствовать замещаемой ткани. Биоматериал должен обладать высокой прочностью, для возможности осуществления хирургических манипуляций. К химическим свойствам относят: контролируемое время деградации в организме, отсутствие химических реакций с межтканевыми жидкостями и тканями организма. Биосовместимость материала с организмом является одним из главных требований, предъявляемых к биологическим свойствам. Под биосовместимостью понимают способность материала к биоинтеграции без возникновения побочных симптомов и индукции клеточного или тканевого ответа, необходимого для достижения оптимального терапевтического эффекта. По характеру взаимодействия имплантируемого материала с внутренней средой организма человека, выделяют следующие свойства биосовместимых материалов: 1) отсутствие локальной воспалительной реакции; 2) отсутствие аллергического и токсического действия на организм; 3) предотвращение проникновения инфекции в рану; 4) отсутствие канцерогенных свойств; 5) сохранение функциональных свойств во время срока эксплуатации. Также к требованиям относят: - рентгенконтрастность; - возможность проведения стерилизации без потери необходимых свойств и т.д. В качестве подобных материалов в настоящее время используются сплавы различных металлов с магнием, фосфаты кальция, а также различные природные и синтетические полимеры. Наиболее широкое распространение в медицине благодаря доступности и универсальности получили полимеры синтетического и природного происхождения. Синтетические полимеры обладают такими преимуществами, как контролируемая молекулярная структура и сроки биодеградации, а также отсутствие аллергических реакций при их имплантации. Наибольшую популярность завоевали полиэфиры, т.е. поли (а-гидрокси-кислоты) и прежде всего сополимеры на основе лактида и гликолида. Большинство используемых в настоящее время имплантатов для остеосинтеза изготовлены именно из этих полимеров. Применение биоразлагаемых полимеров на основе лактида и гликолида в клинической практике началось с полигликолидных хирургических нитей. С тех пор разработан широкий спектр материалов и систем медицинского назначения: нетканые материалы, губки, скаффолды, пленки, фиксаторы, системы контролируемой доставки лекарств и много другое. Исследования биодеградируемых имплантатов В 1966 г. Kulkarni R. K. с соавт. опубликовал доклад о биосовметимости полимолочной кислоты (PLA, ПМК) у животных. Полимер в виде порошка был имплантирован подкожно морским свинкам и крысам. В обоих случаях тканевой ответ и деградация полимеров изучались на протяжении двух месяцев. Было обнаружено, что полимер нетоксичен, не вызывает тканевой реакции и медленно резорбируется. В 1971 году Kulkarni представил результаты использования LPLA пластин и винтов для стабилизации перелома нижней челюсти. В том же году, и Cutright представил свои работы по использованию LPLA шва, для исправления переломов нижней челюсти. Оба исследования показали, что материал не вызывает воспалительных реакций или реакцию на инородные тела, хотя имплантат не полностью деградировал в конце исследования. Первое клиническое использование биодеградируемых имплантов было проведено в 1984 г профессором Rokkanen P. в Центральном госпитале Университета г. Хельсинки. Подряд были отобраны 44 взрослых пациента с диагностированными переломами лодыжек со смещением и разделены на две группы. В первой группе проводилось оперативное лечение с использованием стандартной технологии с фиксацией металлическими имплантами, во второй группе остеосинтез был выполнен с фиксацией биодеградируемыми имплантами. В результате исследования не было выявлено различий в ближайших результатах лечения в двух группах пациентов. По прошествии года наблюдений никакой значительной разницы в количестве осложнений или результатах лечения между двумя методами фиксации выявлено не было. Часто применяемый на практике полимер гликолевой кислоты с технологией «самоукрепления», по приблизительной оценке, в условиях in vivo теряет половину своей прочности в течение двух недель , а массу утрачивает через 6-12 месяцев. При такой высокой степени деградации образуется большое количество продуктов распада импланта, которые в 3-60 % клинических случаев приводили к реакции на чужеродное тело, макроскопически выражавшейся в скоплении жидкости, образовании свищей в области операционной раны, а также остеолизису, хотя при испытаниях, проводимых на животных, никаких подобных реакций на чужеродное тело не отмечалось. O.Böstman и соавт. (1991) тестировали самофиксирующиеся винты из полимера гликолевой кислоты для фиксации бедренной кости после остеотомии у кроликов. Исследователи сообщили об удовлетворительной фиксации и хорошей переносимости вмешательства, о чем свидетельствовала минимальная реакция тканей. Полимолочная кислота обладает более медленной деградацией, и половину своей прочности утрачивает только через 12 недель. Первые клинические испытания фиксаторов из полимолочной кислоты были представлены в порядке 14 серий, продолжавшихся с 1990 по 1996 год. По результатам были отмечены разнообразные побочные реакции, которые протекали более мягко и ранжировались, начиная от отсутствия какой-либо реакции, до отека в 47 % случаев. Учитывая серьезность побочных реакций, которые сопровождают применение фиксаторов из полимера гликолевой кислоты, ее использование в качестве сомополимера было ограничено. Решением данной проблемы стало использование сополимера с оптимальной прочностью и контролируемым временем деградации, достигаемых за счет количества молочной и гликолевой кислот в составе сополимера в соотношении 85/15 соответственно. Была проведена оценка процесса сращения перелома трубчатой кости при малоинвазивном остеосинтезе металлическими спицами и биодеградируемыми фиксаторами 4 поколения (мини-штифт, материал PLGA 85/15) в экспериментальной группе лабораторных животных, представленной 24 лабораторными крысами-самцами. Выполнен сравнительный анализ процесса сращения перелома трубчатой кости при малоинвазивном остеосинтезе металлическими и современными биодеградируемыми фиксаторами в эксперименте. Использование биодеградируемых мини-штифтов, выполненных из SR- PLGA 85/15, в эксперименте обеспечило более стабильную фиксацию отломков по сравнению с контрольной группой, что улучшило процесс сращения переломов без признаков негативного воздействия материала фиксаторов. Было проведено изучение in vivo биосовместимых свойств лабораторных образцов пористых материалов на основе полилактида (PLA) и поликапролактона (PCL), как потенциальных материалов для разработки плевральных имплантатов. Проведенные экспериментальные работы in vivo на мелких животных показывают биобезопасность и высокую биосовместимость лабораторных образцов биорезорбируемых высокопористых матриксов на основе полилактида и поликапролаткона как потенциальных материалов для разработки плевральных имплантатов. Согласно результатам, полученным в эксперименте in vitro, трехмерный матрикс, состоящий из нетканого волокна из ПЗГБ(поли-3-гидроксибутирата) и коллагенового геля характеризуется положительной биосовместимостью, обусловленной адгезией и пролиферацией клеток на его поверхности, и не проявляет цитотоксичных свойств. Сконструировано трехмерное тканеинженерное раневое покрытие на основе ультратонкого нетканого волокна из П3ГБ, коллагенового геля из коллагена I типа, выделенного из сухожилий хвостов крыс, и ММСК костного мозга крысы. По результатам эксперимента по восстановлению кожных покровов in vivo с использованием белых крыс линии «Вистар» отмечается положительная динамика заживления ран у опытной группы животных при использовании сконструированного тканеинженерного раневого покрытия. При его использовании длительность воспалительных процессов снизилась, ускорились процессы эпителизации раны и образования новых функционирующих волосяных фолликулов. Заключение Основным недостатком, ограничивающим использование биодеградируемых систем, является их низкая прочность в сравнении с металлическими фиксаторами. Именно это не позволяет применять массивные пластины и штифты, которые необходимы для стабильного функционального остеосинтеза длинных трубчатых костей. Следующим относительным недостатком является высокая стоимость биодеградируемых систем. Придание этим фиксаторам необходимых свойств пока значительно увеличивает цену. Выходом из этой ситуации, вероятно, будет не только разработка новых технологий изготовления, но и увеличение их производства, что поможет снизить оптовые цены. Говоря о перспективах использования полимеров в травматологии и ортопедии, необходимо выделить два направления: - разработка новых материалов с регулируемыми свойствами; - придание новых свойств уже существующим материалам. В первом случае перспективной представляется разработка композиционных материалов с различными неорганическими наполнителями. Во втором случае интересны работы, позволяющие включать в изделия лекарственные вещества, например, антибиотики, которые могут в течение длительного времени выделяться в ткани, производя профилактику постим-плантационных воспалений . Биодеградируемые крепежные изделия, несомненно, обладают преимуществами, однако необходимо решить проблему более низких механических характеристик по сравнению с металлическими аналогами. Перспективным направлением представляется разработка биодеградируемых конструкций нового поколения, обладающих улучшенными механическими характеристиками и биоактивными свойствами. Список источников - Биофункционализированные наноматериалы // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Биофункционализированные_наноматериалы - Наноструктуры и бионаноматериалы [Электронный ресурс]: URL: https://e.kazangmu.ru/pluginfile.php/131597/mod_resource/content/1/Тезисы%20лекции%203-Наноструктуры%20и%20бионаноматериалы.pdf - Биодеградируемые имплантаты // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/?curid=4606727&oldid=117512151 - Якимов Л.А., Слиняков Л.Ю., Бобров Д.С., Калинский Е.Б., Ляхов Е.В., БИОДЕГРАДИРУЕМЫЕ ИМПЛАНТЫ. СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ. // Кафедра травматологии и ортопедии. 2017.№1(21). с.44-49 [Yakimov L.A., Slinyakov L.Y., Bobrov D.S., Kalinsky E.B., Lyakhov E.V., BIODEGRADABLE IMPLANTS. FORMATION AND DEVELOPMENT. ADVANTAGES AND DRAWBACKS. (REVIEW OF LITERATURE)// The Department of Traumatology and Orthopedics. 2017.№1(21). p.44-49] http://jkto.ru/id-3/id-2/1-21-2017-/id-8.html БИОДЕГРАДИРУЕМЫЕ ИМПЛАНТЫ В ОРТОПЕДИИ И ТРАВМАТОЛОГИИ. НАШ ПЕРВЫЙ ОПЫТ Агаджанян В.В. Пронских А.А. Демина В.А. Гомзяк В.И. Седуш Н.Г. Чвалун С.Н. Государственное автономное учреждение здравоохранения Кемеровской области «Областной клинический центр охраны здоровья шахтеров», г. Ленинск-Кузнецкий, Россия, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», г. Москва, Россия URL: https://cyberleninka.ru/article/n/biodegradiruemye-implanty-v-ortopedii-i-travmatologii-nash-pervyy-opyt Старостенков А.Н. ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ПЕРЕЛОМОВ КОСТЕЙ КОНЕЧНОСТЕЙ (экспериментально- клиническое исследование). URL:https://rsmu.ru/fileadmin/templates/DOC/Disser/2021/Starostenkov_AN/d_Starostenkov_AN.pdf Оценка in vivo биосовместимых свойств резорбируемых пористых материалов для плевральной имплантацииИ. А. Васильева, В. И. Севастьянов, К. В. Токаев, Ю. Р. Зюзя, Т. Е. Григорьев, Т. К. Токаев, А. С. Бикбаев, В. К. Токаев, Ю. Д. Загоскин, К. И. Луканина, С. Н. Чвалун URL: https://doi.org/10.15825/1995-1191-2021-1-49-59 |