Биоматериалы в тканевой инженерии

F

B

K

Многослойный эпителий (эпидермис) защищает дерму
B = базальный

Мочевой пузырь

Мультислойный эпителий (уроэпителий), ядерные клетки во всех слоях.

Яичко

Реснитчатый цилиндрический эпителий

A

B

Секреторный эпителий
A = клетки, секретирующие кислоту
B = клетки,

Монослой плоских клеток эндотелия покрывает стенки капилляров

Кровеносные сосуды

Стенка артерии, эластиновые волокна

Скелетные мышцы

Кость

CT

N
N = нейроны
CT = соединительная ткань.

Спинной мозг

Мозг

Дизайн и выращивание ткани человека in vitro
с последующей ее имплантацией

Термочувствительный субстрат

Т< Ткрит

Т=37оС

Термочувствительные материалы поддерживают адгезию и рост
субстратзависимых клеток млекопитающих

Схема опыта Боланда и Миронова
(иллюстрация с сайта newscientist.com).

Трёхмерные клеточные

При создании новой ткани используют один из трех общих подходов:

Мобилизация собственного

Пресноводные планарии известны способностью к регенерации целого животного из маленьких кусочков.

Регенерация – восстановление клеток, тканей и органов, направленное на поддержание функциональной

При нормальном обмене веществ 0.6% кортикальной и 1.2% губчатой костной поверхности

Метод чрескостного дистракционно-компрессионного остеосинтеза ( Г. А. Илизаров)

Соматические стволовые клетки у человека

Эпителий:
1 – стволовые клетки;
2 – базальная мембрана;
3

Эмбриональные стволовые клетки

Разработка технологий терапевтического клонирования

Реконструкция эмбриона с использованием генетического материала пациента
Получение

Плюрипотентные клетки могут образовать тератомы и тератокарциномы после трансплантации во взрослый

Мезенхимальные стволовые клетки

В качестве источников ВСК используют:
1. костный мозг 2. слизистую оболочку

Восстановление длины и опорной функции конечности

Рентгенографические снимки дефекта бедренной кости мыши

Стволовые клетки – предшественники
Матрикс на основе биосовместимого материала (композиции)
Растворимые факторы, продуцируемые

Биоматериалы для реконструкции костной ткани

Аутологичная или аллогенная костная ткань
Биоматериалы на основе

Поры и каналы обеспечивают васкуляризацию имплантатов

Dr. AR Boccaccini.
V. Maquet, A.R. Boccaccini, L. Pravata, I. Notingher,

Биопсия кости человека,
головка бедренной кости

Биоактивное стекло

Полилактид

Гидроксиапатит

Применение метода селективного лазерного спекания для формирования жестких трехмерных матричных структур

Институт

Тканевая инженерия легкого

Hai-Hua Sun, Tao Jin, Qing Yu and Fa-Ming Chen. Biological approaches

Коллаген

Коллаген-хитозан

Коллаген-
хондроитин-4-сульфат

Нанофибриллы
PHBV – коллаген

Углеродные нанотрубки
с осажденным ГАП

Коллапол

Клетки печени на матригеле

Пептидный гель

Алломатрикс-Имплант

Фибробласт в коллагеновом геле

Хондроциты на пластике

Хондроциты в коллагеновом геле

Хондроциты в ткани

Трехмерные матриксы и мезенхимальные
клетки-предшественники для реконструкции тканей

Кожа

Коллагеновый гель с эмбриональными фибробластами при лечении трофической язвы

Искусственная кожа -
биосинтетическое раневое покрытие “Биокол-1”

Технология формирования биоматериалов на основе синтетических и природных полимеров

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

d=170нм

Водная дисперсия фторлатекса

Биомедицинская инженерия – замещение органов, функции которых утрачены в результате заболевания

Искусственная печень

Биоискусственная система почечных эпителиальных клеток от  Innovative BioTherapies, Inc. (IBT)

Искусственные

Имплантат- медицинский объект, изготовленный из синтетических или искусственных материалов, в том

Металлические имплантаты для замены поврежденных тазо-бедренных суставов.

Почечный баллонорасширяемый стент

Стент-графт

Титан – низкая жесткость, высокая биосовместимость

Сплав кобальт-хром - высокие износостойкость, твердость, жесткость и низкое трение

Реакция организма на введение имплантата

Воспалительный процесс, образование капсулы, отторжение
Некроз

Биосовместимость –устойчивость имплантируемого материала к воздействию сред организма и отсутствие

Биодеградация – способность к рассасывванию в организме
Биозамещение – способность замещения новой

Физико-химические характеристики биоматериалов, определяющие их биосовместимость

Химическая структура
Гидрофильно-гидрофобные свойства
Шероховатость поверхности
Пористость структуры
Механические характеристики
Размеры

Химическая структура поверхности полимера определяет адгезию клеток через адсорбцию адгезивных белков

В 1998 году Л.Хенч получил за биоактивный имплантат "Bioglass@R" премию Хиппеля

Топология поверхности

14нм

123нм

~20-40мкм

~300нм

Интеграция с тканями

Формирование стабильной зоны контакта с живой тканью предотвращает перемещение

ПТФЭ +TiC + ГАП

Коллаген + ГАП

Ti+Co+ГАП

Коллаген

Композитные биоматериалы

Полимерно-керамические. В таких материалах неорганическая фаза (стекло или фосфаты кальция)

СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез

а) б) в) г) д) е)
Ti+Co+10%mass.HAPcr.+1%TiH2
б) Ti+Co+25%mass.HAPcr.+1%TiH2
в)

Разработан способ получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористых материалов на

1) Ti+Co,
2) Ti+Co+ГАПкр.
3) Ti+Co+ГАПаморф.,

1

2

3

Рост остеобластов на поверхности NiTi

Сокультивирование остеобластов и эндотелиальных клеток на поверхности NiTi (42 дня)

Без покрытия

С

Сокультивирование остеобластов и эндотелиальных клеток