Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка биодеградируемых матриксов на основе гидрогелей хитозана и гиалуроновой кислоты

Сведения об участнике
ФИО
Маслова Марина Вячеславовна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет дизайна и технологии"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Химическая технология. Химическая промышленность
Тема
Разработка биодеградируемых матриксов на основе гидрогелей хитозана и гиалуроновой кислоты
Резюме
Проект направлен на создание биополимерных матриц, предназначенных для использования в качестве подложки для выращивания клеток. Разработаны два метода получения высокопористых матриц: 1) путем лиофильного высушивания полимерных композиций на основе дисперсии полиэлектролитного комплекса хитозана и ГК и 2) поверхностной модификацией ГК пористых гидрогелей хитозана. Методами электронной и конфокальной спектроскопии изучена пористая структура полимерных матриц. Получены положительные результаты тестирования на клеточных культурах цитотоксичности биополимерных матриксов на основе хитозана и его комплексов с ГК, адгезии клеток и распределении их в структуре материала.
Ключевые слова
гиалуроновая кислота, хитозан, дженипин, скаффолды, тканевая инженерия, биодеградируемые матриксы, гидрогели, макропористые гидрогели, полимерные матрицы
Цели и задачи
Работа направлена на создание высокопористых биосовместимых материалов на основе хитозана и гиалуроновой кислоты, использование которых позволит решить актуальную задачу тканевой инженерии - получение биодеградируемых биополимерных матриксов для выращивания живых тканей.
Введение

Неотъемлемой частью тканевой инженерии является разработка оптимального биодеградируемого полимерного каркаса – матрицы, обеспечивающей адгезию и пролиферацию клеток, которая должна постепенно замещаться формирующимися тканями или органами.  Материалы, используемые в заместительной хирургии мягких тканей, должны обладать влагоудерживающей и репаративной способностью, поэтому с точки зрения биомиметики и благодаря биологической активности, ГК и хитозан являются оптимальными прекурсорами для создания биодеградируемых матриксов, которые стимулирует процессы регенерации живых тканей. В работе впервые были использованы композиции полиэлектролитных комплексов хитозана и ГК, и природного сшивающего реагента дженипина.

Методы и материалы

В работе использованы ХТЗ (ММ 190;320 кДа) и ГК (1000 кДа), дженипин (Gp). Изучение реологических свойств водно-уксусных растворов хитозана и ГК в виде соли (гиалуронат Na) проводили на: ротационном вискозиметре «Rheotest – 2» в ячейке цилиндр – цилиндр и вибрационном вискозиметре «SV-10A» производства «AND», Япония в открытой ячейке. Гидродинамические свойства растворов изучали методом капиллярной вискозиметрии на вискозиметре Уббелоде. Полученные закономерности позволили выбрать оптимальный состав формовочных растворов для получения гидрогелей. Гелеобразование в растворах ХТЗ устанавливали по времени потери системой текучести в присутствии различного количества сшивающего реагента. Степень набухания пленок из хитозана, и общее влагопоглощение гидрогелевых матриксов в воде изучали гравиметрическим методом. Получение биополимерных матриксов на основе хитозана и его комплексов с ГК проводили двумя способами: путем лиофильного высушивания полимерных композиций на основе дисперсии ПЭК хитозана и ГК; путем поверхностного модифицирования ГК лиофильно высушенных гидрогелей хитозана. Методом конфокальной лазерной микроскопии на инвертированном микроскопе Nikon TE-2000, Япония изучали распределение и морфологию клеток в структуре гидрогелей. Цитотоксичность гидрогелевых матриксов изучали методом тестирования экстрактов. Жизнеспособность клеток линии мышиных фибробластов L929, изучали через 24 часа культивирования в присутствии экстрактов.

Описание и обсуждение результатов

С целью управления процессом комплексообразования хитозана и ГК при получении композиционных матриксов заданного состава, растворимости и физической формы были изучены реологические свойства водных растворов ГК и ХТЗ и фазовые равновесия в их смешанных растворах. Вискозиметрические исследования показали, что раствор ГК представляет собой структурированную жидкость, что затрудняет гомогенное смешение растворов полиэлектролитов даже при низком содержании хитозана. При исследовании комплексообразования  хитозана в форме поликислоты и полиоснования с ГК, было обнаружено, что  на поверхности частиц твердого хитозана образуется  набухший поверхностный слой полиэлектролитного комплекса (ПЭК), который замедляет  диффузию гидратированных цепей ГК внутрь частиц. Изучение закономерностей фазового разделения в системе хитозан – ГК – вода показало, что в смесях полиэлектролитов  комплексообразование сопровождается ростом вязкости системы, в результате чего образуются прозрачные гели, которые имеют низкую прочность.  Полученные результаты позволили выработать рекомендации для дальнейших исследований:

-для повышения прочности гелей использовать нетоксичные сшивающие реагенты;

- для увеличения поверхности контакта ПЭК с клетками целесообразно использовать гидрогели ХТЗ, полученные путем поверхностного модифицирования ГК лиофильно высушенных гидрогелей сшитого ХТЗ (в этом случае формирование ПЭК происходит на поверхности гидрогелей хитозана в ходе фронтально протекающей реакции) или путем лиофильного высушивания гидрогегевых композиций на основе дисперсии ПЭК хитозана и ГК.

На основании результатов исследования кинетики гелеобразования в растворах хитозана в присутствии сшивающего реагента природного происхождения дженипина (Gp) были выбраны оптимальные условия процесса сшивки хитозана. Путем замораживания и лиофилизации гидрогелей хитозана сшитого Gp в присутствии и отсутствие ГК, были получены биополимерные мариксы с системой взаимопроникающих пор, что является необходимым условием пролиферации клеток внутри материала. Варьирование состава системы раствор хитозана – Gp, ММ биополимеров и условий формирования ПЭК с ГК позволило получить матриксы, различающиеся по структуре (морфология, средний размер пор) и по характеру распределения в них клеток. Цитотоксичность полученных матриксов была изучена методом «экстракт-теста» с использованием модельной линии мышиных фибробластов L929 и показала, биосовместимость всех исследуемых матриксов. Введение в состав гидрогелей на основе ХТЗ (ММ 320 кДа) ГК приводило к увеличению количества жизнеспособных клеток по сравнению с исходным образцом: на 16% для образца, полученного поверхностным модифицированием ГК и на 30% объемно-модифицированного матрикса. Клетки равномерно распределялись в объеме матриксов при их культивировании и успешно росли и пролиферировали.

Используемые источники
[1] Dhandayuthapani B., Yoshida Ya., Maekawa T., Kumar D.S. // International Journal of Polymer Science. – 2011. - Vol. 61. - рр. 475-480
[2] Bose S., Roy M., Bandyopadhyay A. // Trends in Biotechnology. -2012. - V. 30 (10). – рр. 546-554
[3] Collins M.N., Birkinshaw C. // Carbohydrate polymers. -2013. – V. 92 (2). – рр. 1262-1279
[4] Маслова М.В., Успенский С. А., Кильдеева Н. Р., Демина Т. С., Вихорева Г. А.// Известия Академии наук. Серия химическая. - 2016. - №1. - С. 273-276
[5] Маслова М.В., Успенский С.А., Гальбрайх Л.С., Кильдеева Н.Р. // Химические волокна. - 2016. - №6. - С. 5 – 8
[6] Кильдеева Н.Р., Михайлов С.Н. // Хитозан. – М: Центр «Биоинженерия» РАН. – 2013. - С. 271-307
Information about the project
Surname Name
Maslova Marina
Project title
The development of biodegradable matrices based on hydrogels of chitosan and hyaluronic acid
Summary of the project
The project aims to create a biopolymer matrix, for use as a substrate for cell growth. Two methods of obtaining highly porous matrices have been developed: 1) by freeze-drying the polymeric compositions based on the dispersion of the polyelectrolyte complex of chitosan and HA 2) surface modification of porous HA hydrogels of chitosan. By electron and confocal spectroscopy to study the structure of porous polymer matrices. Positive test results for cytotoxicity in cell cultures biopolymer matrices based on chitosan and its complexes with HA, cell adhesion and their distribution in the material structure.
Keywords
hyaluronic acid, chitosan, genipin, scaffolds, tissue engineering, biodegradable matrices, hydrogels, macroporous hydrogels, polymeric matrix