Микронаноструктурированный биопластический материал

Микронаноструктурированный биопластический материал

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к комбустиологии, пластической хирургии, косметологии, и может найти применение в качестве биоматериала для замещения дефектов покровных тканей и стимуляции регенерации.

На современном этапе медицинских биотехнологий интенсивно развивается направление по разработке универсальных матриц для органоспецифического восстановления утраченных или поврежденных тканевых структур организма человека. Изученные на анатомическом, биохимическом и молекулярном уровнях механизмы органоспецифической гисторегенерации требуют создания биопластических материалов нового поколения, которые являются не только тканеинженерной конструкцией, максимально приближенной по фиброархитектонике к тканям или органам человека, а комплексной фармакологической системой с заданными фармацевтическими эффектами гисторепаранта (Конки Д., Эрба Э., Фрешни Р. и др. Культура животных клеток. Методы. - М.: Мир, 1989. - 220 с.; Кучеренко М.Г., Кецле Г.А., Мельник М.П., Летута С.Н. Известия АН СССР. Сер. физ. - 1993. - №57 (12) - С.175-180; Кучеренко М.Г., Кецле Г.А., Мельник М.П., Летута С.Н., Опт. и спектр. - 1995. - №78 (4) - 649 с.). По сути, это сложные фармацевтические средства, представленные физиологически активной матрицей и иммобилизованной в нее молекулой с определенным фармацевтическим эффектом. Как, например, пластический биоматериал «Apligraf (Grafskin)» (разработан компанией Organogenesis (США)) имеет коллагеновую матрицу и цитокины (Рахматуллин Р., Бурлуцкая О., Аделыиина Л., Бурцева Т. «Наноструктурированный материал «Гиаматрикс».- // Врач, №5. - 2011. - С.22-24). Цитокины в этой биоконструкции выполняют важную функцию стимулирования процессов регенерации тканей. Однако остается открытым вопрос фармакокинетики и дозированности действующего вещества в матричном компоненте в условиях раневого процесса, поскольку многие известные матрицы подвергаются биометаболизации. В настоящее время известен биопластический материал Cyact (ICX-PRO) от компании Intercytes (Великобритания), представляющий собой биоклеточную систему: аллогенные фибробласты кожи человека в матриксе из фибринового геля человека (Обзор по биопластическим материалам. - // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. - 2009. - Том IV, №4. - С.29-35). Средство предназначено для лечения длительно незаживающих ран нижних конечностей (III фаза FDA). Однако вследствие сложного неконтролируемого состава, особенно в условиях раневого процесса in vivo, когда часть клеток мигрирует, часть гибнет с выделением разнообразных внутриклеточных веществ, клинические исследования данного биоматериала были прекращены из-за отсутствия ожидаемого клинического эффекта.

Кроме того, вышеуказанные материалы малодоступны: требуют особые условия применения, хранения и отличаются высокой ценой даже для европейского уровня платежеспособности. Кроме того, в основе этих материалов имеются химически модифицированные элементы, что снижает клиническую эффективность.

Поэтому подход к разработке биопластических материалов с позиции фармакобиоинженерии является актуальным направлением в современной регенеративной медицине.

Прототипом данного изобретения является наноструктурированный биопластический материал (Патент РФ №2425694 «Наноструктурированный биопластический материал» от 14 апреля 2004 г., опубл. 10.08.2011 г.), включающий в себя нативную форму гиалуроновой кислоты, основой которой является наноструктурированная матрица, представляющая собой наноструктурированную гиалуроновую кислоту, полученную путем фотохимической сшивки, имеющую ячеистое строение в диапазоне от 50 до 100 нм. В основе технологии получения данного биопластического материала лежит методика фотохимического наноструктурирования смеси гиалуроновой кислоты и коллагена. В результате чего и образуется нанокаркасная конструкция, имеющая ячеистое строение.

Подобная структурная организация макромолекул гиалуроновой кислоты и коллагена придает биоматериалу эластичность, повышенную адгезию, дренажные качества, прозрачность.

Однако полученная таким образом макромолекулярная структура биопластического материала в клинических условиях является недостаточно эффективной:

1. Отсутствие антимикробных компонентов в структуре биоматериала создает условия для присоединения вторичной инфекции, поскольку при этом биопластический материал становится хорошей питательной средой для роста микроорганизмов и, как следствие, рана нагнаивается и плохо заживает.

Для изучения биодоступности макромолекул гиалуроновой кислоты в наноструктурированном биоматериале был проведен ряд экспериментов по выращиванию золотистого стафилококка и кишечной палочки - основных возбудителей госпитальных инфекций. Оказалось, что эти бактерии хорошо растут на биоматериале. Таким образом, показано, что наноструктурированный биопластический материал является оптимальной питательной средой для роста бактериальных инфекций.

2. Сложная макромолекулярная организация подобной наноструктуры затрудняет процесс ее биометаболизации и, как следствие, негативно сказывается на процессах регенерации (восстановления тканей).

3. Наноструктурированные ячейки биоматериала не обеспечивают эффективного дренирования раневого экссудата, поскольку при контакте с влагой вследствие высокой гидрофильности гиалуроновой кислоты последние буквально «закупориваются», создается эффект «памперса» в ране. При этом создаются благоприятные условия для развития вторичной инфекции, что осложняет течение раневого процесса.

Таким образом, строгое наноструктурирование биопластического материала обуславливает формирование оптимальных биоинженерных свойств (адгезия, прозрачность и т.д.), но не обеспечивает благоприятного заживления ран.

Технический результат - повышение клинической эффективности использования биопластического материала за счет ускорения процессов регенерации тканей.

Указанный технический результат достигается тем, что микро-наноструктурированный биопластический материал, основой которого является наноструктурированная матрица, сформированная из гиалуроновой кислоты, содержит протеогликаны, гликопротеины, фибриллярные белки и антисептик при следующем соотношении (на 100 мл):

гиалуроновая кислота	30-20
протеогликаны	20-30
гликопротеины	10-15
фибриллярные белки	10-15
антисептик	5-10
растворитель (вода)	остальное.

На чертеже изображена структура микро-наноструктурированного биопластического материала.

Упругие цепи гиалуроновой кислоты и протеогликанов образуют макромолекулярные сетчатые структуры. Такое химическое строение обеспечивает выполнение функции дренирования раневого экссудата.

Технология получения микро-наноструктурированного биопластического материала следующая.

В разливочном агрегате в дозатор заливают смесь компонентов гиалуроновой кислоты, протеогликанов, гликопротеинов, фибриллярных белков, антисептик и воду. Смешивание указанных компонентов приводит к образованию вязкого эластичного геля. Далее вязко эластичный гель разливается на форму-основу, стерилизуется в рентген-стерилизаторе, после чего в специально сконструированных ламинарных боксах подвергается микро-наноструктурированию. Для этого в ламинарах создается определенный микроклимат: температура - 20-25°C, влажность - 35-45%, стабильная однонаправленная скорость воздушного потока - 0,20 м/с. Затем гель на форме-основе подвергают воздействию ультрафиолетового излучения (200 нм, 3×10¹⁶ Гц) в течение 2-4 часов. Под воздействием мягкого ультрафиолета происходит микро-наноструктурирование молекул смеси, образуются перекрестные ретикуляционные сшивки, в итоге образуется сетчатый биополимер, по архитектуре максимально приближенный к дермальному матриксу человека.

Установлено, что образование решетчатого матрикса придает эластичность и пластичность биоматериалу, способность принимать различную рельефную форму покровных тканей. Кроме того, за счет схожего по строению решетчатого матрикса с дермальным матриксом допускает относительно свободную диффузию кислорода и оптимальное дренирование ран.

Данные свойства биоматериала определяют фармакологический эффект восстановления кожных покровов в период реабилитации при его местном применении. При использовании биопластического материала было установлено, что он за счет содержания протеогликанов, гликопротеинов и фибриллярных белков оказывает наиболее мощное стимулирующее воздействие на фибробласты, активируя рецепторы CD44 на синтез уже собственной гиалуроновой кислоты, коллагена III типа и эластина, что предотвращает образование гипертрофических рубцов. Кроме того, биоматериал обладает мощным антимикробным эффектом за счет включения в состав биоматериала антисептика. Данный фармацевтический препарат действует как пролонгированный биоревитализатор в связи с тем, что в основе биоматериала находится низкомолекулярная гиалуроновая кислота, способная наполнять дермальный матрикс. Для подтверждения фармацевтических свойств данного препарата мы провели его клиническую апробацию.

Проведено лечение предлагаемым микро-наноструктурированным биопластическим материалом. Биоматериал накладывали на поверхность раны при обращении в стационар. Через 2-3 часа после наложения биоматериала все пациенты отмечали, что исчезала боль. Впоследствии было отмечено отсутствие явления контрактурных изменений раневой области и полноценное восстановление кожных покровов. Надо отметить, что использование данного биоматериала позволило избежать воспалительной реакции (нагноения) и формирование гипертрофических рубцов в период реабилитации. Не зафиксировано ни одного случая аллергической и/или воспалительной реакции у обожженных больных.

Процесс реабилитации обожженных людей, использующих микро-наноструктурированный биопластический материал, протекает в три фазы, что отражено в таблице

Фазы	Процессы	Механизмы	Воздействие
Фаза 1	Активная воспалительная реакция	Повышенная клеточная инфильтрация, возрастание количества цитокинов	Замедление выработки цитокинов, стимулирующих воспаление, мощное антимикробное воздействие
Фаза 2	Неоангиогенез	Увеличение синтеза гиалуроновой кислоты	Способствует образованию новых сосудов из существующих сосудистых структур. Обогащение гиалуроновой кислотой, гидрализованная матрица усиливает миграцию клеток. Повышает местный иммунитет
Фаза 3	Рубцевание	Обогащенная низкомолекулярной гиалуроновой кислотой матрица уменьшает отложение коллагена	Предупреждает образование гипертрофических рубцов

Таким образом, проведенные исследования показывают, что микро -наноструктурированный биоматериал обладает следующими биомедицинскими свойствами:

- совместим с тканями человеческого организма;

- отсутствием иммунореактивности;

- способен к биодеградации и полному выводу из организма;

- возможностью образовывать тонкие защитные газопроницаемые покрытия;

- выраженным заживляющим действием на раны - стимулированием регенерационных и обменных процессов;

- антимикробными свойствами.

Новизной разработанного микро-наноструктурированного биопластического материала является то, что впервые для процесса фотохимического микро-наноструктурирования использован гидроколлоид, состоящий из гиалуроновой кислоты, протеогликанов, гликопротеинов, фибриллярных белков (коллаген, эластин) с добавлением антисептика.

Отличительной особенностью данного микро-наноструктурированного биоматериала является его способность дренировать рану, заполнять дефект тканей макромолекулярными комплексами (гликопротеины, протеогликаны, фибриллярные белки), что обеспечивает возможность эффективной гисторегенерации и предупреждает развитие гипертрофических рубцов.

Микронаноструктурированный биопластический материал, основой которого является наноструктурированная матрица, сформированная из гиалуроновой кислоты, отличающийся тем, что содержит протеогликаны, гликопротеины, фибриллярные белки и антисептик при следующем соотношении (на 100 мл):

гиалуроновая кислота	30-20
протеогликаны	20-30
гликопротеины	10-15
фибриллярные белки	10-15
антисептик	5-10
растворитель (вода)	остальное