Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка бислойной биоинженерной конструкции на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для репаративной хирургии плоских и трубчатых костей с использованием ростовых факторов и клеточных технологий

Номер контракта: 14.578.21.0055

Руководитель: Чердынцев Виктор Викторович

Должность руководителя: с.н.с.

Докладчик: Сенатов Фёдор Святославович, н.с.

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
протез, биоинженерная конструкция, мезенхимальные стромальные клетки, белок, костная ткань, свмпэ, поры, имплантат, биокерамика, репаративная хирургия, трубчатые кости

Цель проекта:
В последние годы наблюдается тенденция возрастания роли имплантационной хирургии. В частности, часто наблюдаются клинически обусловленные ситуации, когда в результате обширных травм, врожденных пороков развития или заболеваний, возникает необходимость в реконструкции дефектов костной ткани. Восстановление костей опорно-двигательной системы является чрезвычайно важным и актуальным разделом ортопедии, онкологии, травматологии и медицины в целом. У онкологических больных потребность в замещении костных фрагментов возникает как вследствие деструкции тканей в результате опухолевого процесса, так и вследствие расширенных хирургических вмешательств, предполагающих резекцию измененных участков. В настоящей ПНИ решение задачи восстановления дефектов костей предлагается осуществить путем применения нерезорбируемых (не разрушаемых в биологической среде) синтетических имплантатов. Такие материалы, обладая высокой биосовместимостью и пористой структурой, содержащей биоактивные добавки и/ или мезенхимальные клетки для стимулирования образования костной ткани, могут позволить решить проблемы. Имплантаты, предназначенные для восстановления целостности костной ткани, должны выполняться из биосовместимого материала. Материал-каркас, предназначенный для замены поврежденной или отсутствующей ткани, должен отвечать многочисленным требованиям и представлять собой нетоксичный, биосовместимый полимер. Он должен обладать необходимой прочностью и эластичностью, иметь пористую внутреннюю структуру. Помимо этого, в полимере должны присутствовать активные компоненты, стимулирующие процессы остеогенеза и интеграции имплантата с окружающими тканями. Основными целями настоящего проекта являются разработка технологических решений и инженерных подходов для создания имплантатов нового поколения для репаративной хирургии плоских и трубчатых костей, в частности, ортопедии, с улучшенной остеокондуктивностью и бактерицидностью, обеспечивающей контактный остеогенез на границе имплантат – кость; создание биоинженерных конструкций на основе пористого СВМПЭ для возмещения дефектов костной ткани с использованием протеомных и клеточных технологий, а также методов, основанных на использовании сверхкритических флюидов, оценка их свойств in vitro и in vivo

Основные планируемые результаты проекта:
Разработка собственной технологии получения эффективных биоинженерных конструкций на основе СВМПЭ позволить выйти на новый уровень создания материалов для протезов костей, решив целый ряд проблем, связанных с заменой дефектов костной ткани и влиянием на организм человека в целом, что дает возможность снизить количество ревизионных операций. Биоинженерная конструкция не будет иметь аналогов на российском рынке из-за выдающихся в сравнении с традиционными материалами цитокондуктивных и цитоиндуктивных свойств, в том числе с не наполненным СВМПЭ. Эффективность разрабатываемых методик и материалов будет подтверждена лабораторными испытаниями. Полученные результаты будут ориентированы на широкое применение в научно-исследовательских организациях и фирмах производителях наукоемкой продукции и будут конкурентоспособными на мировом рынке.
При выполнении проекта должны быть получены следующие практические и экспериментальные результаты:
- разработаны и исследованы методы получения СВМПЭ с высокой пористостью, методы получения сплошного армирующего слоя биоинженерных конструкций;
- разработаны и исследованы методы осаждения биоактивных покрытий с бактерицидным эффектом на поверхность сплошного армирующего слоя
- разработаны и исследованы методы насыщения СВМПЭ с высокой пористостью белковыми факторами роста и/или мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками;
- проведены параметрические исследования, устанавливающие взаимосвязь между технологическими параметрами (температура, давление, наличие и концентрация порообразующего агента – легкорастворимого наполнителя), структурой исходных компонентов и структурой, свойствами СВМПЭ с использованием передовых методик исследования;
- разработан метод совмещения сплошного армирующего слоя и пористого слоя в монолитную биоинженерную конструкцию;
проведены исследования экспериментальных образцов имплантатов в соответствии с разработанным планом исследований, в том числе:
- исследование биологического отклика клеточной культуры in vitro;
- сравнительное изучение гемолитической активности и влияния на гибель лейкоцитов экспериментальных образцов имплантатов in vitro;
- изучение торможения колониеобразования различных микроорганизмов после контакта с поверхностью экспериментальных образцов имплантатов in vitro;
- подкожная имплантация экспериментальных образцов имплантатов экспериментальным животным для оценки развития реакции отторжения, развития инфекционных осложнений, системной токсичности для макроорганизма; колонизации клетками
- ортотопическая имплантация экспериментальным животным экспериментальных образцов, не обладающих токсическим воздействием, для оценки структуры имплантатов и колонизации клетками реципиента.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Пористый слой биоинженерной конструкции должен иметь сообщающиеся поры открытого типа, обладать объёмной пористостью в 60-80%, иметь размер пор от 100 до 800 мкм и обладать высокой пластичностью. Сплошной слой должен иметь высокие механические свойства для обеспечения общей прочности биоинженерной конструкции. Биоинженерная конструкция иметь бактерицидный эффект не менее 40%, отсутствие контаминации грибковой и бактериальной микрофлорой, не оказывать общетоксического воздействия на организм экспериментальных животных после имплантации, сопровождаемого патогномоническими изменениями структуры паренхиматозных органов, способствовать восполнению структурного дефекта костной ткани и сохранению двигательной активности конечности экспериментального животного после ортотопической имплантации.
Для формирования пористой структуры в СВМПЭ будет использована технология заключающаяся во введении легкорастворимого наполнителя в полимер, с последующим его выщелачиванием и образованием на месте наполнителя пор. Смешение СВМПЭ с легкорастворимым наполнителем планируется осуществлять с использованием твердофазного смешения в мельницах планетарного типа. Этот метод имеет ряд преимуществ перед жидкофазными методами смешения, прежде всего – по простоте реализации и воспроизводимости результатов.
Как нами было ранее установлено, при термопрессовании СВМПЭ определяющим фактором на процесс спекания частиц оказывает прикладываемое давление. Увеличение давления способствует более интенсивным процессам диффузии молекул в местах контакта частиц, но с другой стороны, закупоривает легкорастворимый наполнитель, что делает невозможным его последующее выщелачивание. В предлагаемой работе будет уделено отдельное внимание процессам спекания частиц СВМПЭ. Будут разработаны методики повышающие возможности регулирования объёмной пористости СВМПЭ, размеров пор и их форм.
Для активации репаративных процессов требуется присутствие ростовых факторов белкового происхождения (например TGF-β1) или привнесенных эндогенных мезенхимальных клеток реципиента. С учетом сказанного, для разработки высококачественного материала, характеризующегося цито-кондуктивностью и индуктивностью, необходимо сочетание развитых протеомных и клеточных технологий с материаловедческими для создания сложных биоинженерных конструкций, предназначенных для возмещения тканевых дефектов, что и должно быть реализовано в рамках предлагаемой ПНИ.
Предлагаемый механизм реконструкции костного дефекта должен быть реализован следующим образом: пористая основа костного имплантата будет служить носителем ростовых факторов и/или клеток, инициирующих репаративные процессы. Таким образом, пористая основа имплантата будет способствовать процессу восстановления кости.
На поверхность имплантата будет нанесено покрытие, предотвращающее развитие местного инфекционного процесса, опосредованного бактериями, т.е обладающее бактерицидными свойствами. Означенное эффективное воздействие будет обусловлено бактерицидным агентом, скрининг которого планируется провести как среди антибактериальных средств (в частности, к таковым могут быть отнесены ципрофлоксацин или амоксициллин), так и других агентов (например - клавулановая кислота), способных тормозить колониеобразование вегетирующих бактерий, но не угнетать при этом жизнедеятельность клеток макроорганизма.
Для создания на поверхности имплантата бактерицидного слоя предполагается импрегнировать поверхность полимера антибактериальными агентами в сверхкритических средах (флюидах).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведенной ПНИ могут быть использованы для проведения опытно-технологических работ, направленных на создание технологии серийного производства материала на основе СВМПЭ, полученного с использованием протеомных и клеточных технологий, для возмещения дефектов костной тканей. Полученные результаты могут быть использованы в различных областях медицины и ветеринарии в частности, в восстановительной хирургии, транспланталогии, травматологии и онкологии. Конкурентными преимуществами разработанных биоинженерных конструкций будут их надежность в процессе эксплуатации за счет сочетания высоких механических и биологических характеристик. Разрабатываемые материалы будут иметь несомненные преимущества по остеокондуктивным свойствам, а также по технологии их изготовления и возможности получения материалов практически любой, сколь угодно сложной формы, без существенной усадки. Такие материалы выгодно отличаются экологичностью, так как не содержат токсичных примесей. Их использование должно позволить выйти на новый уровень осуществления восстановительных хирургических операций. Предложенный подход создания биоинженерных полимерных конструкций позволит организовать выпуск конкурентоспособной продукции, удовлетворяющий современным требованиям. Предлагаемые к освоению материалы будут иметь физико-механические и биологические свойства, превышающие таковые для отечественных аналогов и сравнимые с таковыми для зарубежных, что обеспечивает их патентноспособность. При этом ожидаемая стоимость предлагаемых материалов даже на этапе опытного производства будет примерно в два раза ниже цены конкурентов, что обеспечит конкурентоспособность создаваемого товара, и будет способствовать импортозамещению.

Текущие результаты проекта:
1 Изготовлены экспериментальные образцы биоинженерных конструкций на основе пористого СВМПЭ.
2 Разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов биоинженерных конструкций на основе пористого СВМПЭ.
3 Проведены структурные исследования экспериментальных образцов биоинженерных конструкций на основе пористого СВМПЭ.
4 Проведены испытания экспериментальных образцов биоинженерных конструкций на основе пористого СВМПЭ по разработанным программам и методикам испытаний.
5 Получены культуры мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) млекопитающих.
6 Проведено сравнительное изучение применения различных подходов для стерилизации экспериментальных образцов биоинженерных конструкций на основе пористого СВМПЭ.
7 Исследована деконтаминированность экспериментальных образцов СВМПЭ с высокой пористостью после стерилизации в лабораторной установке.
8 Отработана методика осаждения биоактивных покрытий с бактерицидным эффектом на поверхность сплошного армирующего слоя.
9 Изучено торможение роста колоний бактерий после коинкубации с экспериментальными образцами сплошного армирующего слоя
10 Отработана методика насыщения биоинженерных конструкций на основе пористого СВМПЭ белковыми факторами роста и/или ММСК
11 Проведена оценка уровня индуцированного гемолиза после коинкубации с экспериментальными образцами СВМПЭ с высокой пористостью.
12 Проведена оценка влияния на индекс выживаемости лейкоцитов крови млекопитающих после коинкубации с экспериментальными образцами СВМПЭ с высокой пористостью.
13 Разработан лабораторный технологический регламент изготовления имплантатов.
14 Проведена оценка цитокондуктивности экспериментальных образцов имплантатов in vitro.
15 Получены культуры ММСК мышей
16 Изготовлены экспериментальные образцы имплантатов, насыщенные белковым ростовым фактором.