![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Быстрое и эффективное восстановление повреждений костной ткани – важнейшая задача современной ортопедии. Использование костных имплантатов является стандартным подходом при лечении травм, врожденных дефектов и заболеваний кости. Один из основных подходов при решении этой проблемы – создание биоискусственных аналогов костной ткани, являющихся биоактивным матриксом, позволяющим восстановиться собственной кости и разлагающимся по мере процесса восстановления. Основным компонентом кости являются минералы в виде нанокристаллов гидроксиапатита, находящиеся в ассоциации с волокнами коллагена. Конструкции из минерализованного фосфатом кальция фиброина шелка имитирует костную ткань как по своим физическим, так и по структурно-химическим свойствам и является прекрасным субстратом для роста и пролиферации остеогенных клеток. Объединение минерализованного фиброина с такими стимуляторами остеогенеза, как ВМР, позволят повысить регенераторный потенциал фиброина шелка до потенциала аутологичного костного материала. Объектом настоящего исследования являются изделия для ускорения заживления и регенерации костной ткани. В соответствии с Техническим заданием целью данных прикладных научных исследований и экспериментальных разработок является создание биоискусственных аналогов элементов децеллюляризированной костной ткани, обладающих остеоиндуктивной и остеокондуктивной активностью, пригодных для восстановления поврежденных или утраченных фрагментов костей различной формы (трубчатых, губчатых, плоских, смешанных) и анатомического положения, а также усиление остеоиндуктивной активности биоискусственных субстратов за счет регулируемого локального выброса факторов, модулирующих остеогенную активность.
В результате реализации проекта в целом будет создан набор медицинских изделий для регенерации костной ткани, в состав которого будут входить пористые скаффолды, выполненные в виде дисков и брусков, бислойные скаффолды в форме мата и микрочастицы для заполнения костного дефекта или полости, обладающие остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, биодеградируемая фиброиновая армированная пленка для фиксации отломков кости, скаффолдов и микрочастиц, а также паста из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе бактериальных полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2, обладающая способностью к пролонгированному высвобождению биоактивных веществ с заданной кинетикой, для модификации скаффолдов с целью улучшения их остеоиндуктивных свойств.
Научно-техническим заделом выполняемого проекта является разработанные методики, модельные системы, научно-техническая и конструкторская документация и результаты выполненных НИР и НИОКР в данной области, в том числе НИР "Биорезорбируемые композитные матриксы на основе регенерированного шелка", НИР "Трехмерные биорезорбируемые конструкции на основе фиброина шелка для долговременного культивирования эукариотических клеток"
Быстрое и эффективное восстановление повреждений костной ткани – важнейшая задача современной ортопедии. Использование костных имплантатов является стандартным подходом при лечении травм, врожденных дефектов и заболеваний кости. Костные имплантаты – это любые имплантируемые материалы, которые сами по себе или в комбинации с другими материалами способствуют формированию кости, обеспечивая локальную остеокондуктивную, остеоиндуктивную или остеогенную активность. Костные имплантаты используются для активизации репаративного остеогенеза при травмах, формировании артро- и спондилодеза, замещении костных дефектов после резекции опухолей. Согласно современным требованиям, предъявляемым к медицинским изделиям и препаратам, в частности, к остеопластическим препаратам и изделиям для регенеративной медицины, в идеальной ситуации они должны обладать следующими функциональными свойствами: - быть нетоксичны, неиммуногенны и биосовместимы с органами и тканями человека, не вызывать выраженной местной воспалительной реакции, - обладать физико-механическими характеристиками, оптимальными для временного замещения костной ткани, - быть способны к биодеградации в организме без образования токсичных продуктов и замещаться костной тканью в определенные заданные сроки, не изменять свои медико-технические свойства в процессе нежелательной кальцификации и/или биодеградации, - обладать остеокондуктивными свойствами, - обладать остеоиндуктивными свойствами, в т.ч. за счет контролируемого высвобождения биоактивных веществ, - не обладать цитотоксичностью и служить каркасом для прикрепления и роста клеток костной ткани, - быть стерильными и не провоцировать развитие инфекций, - сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации, - быть удобным для эксплуатации и при клиническом использовании Основными задачами проекта были: 1. Создание на основе разработанных ранее методов прототипов медицинских изделий: - биорезорбируемые минерализованные пористые скаффолды; - биорезорбируемые минерализованные бислойные скаффолды; - биорезорбируемые минерализованных микрочастицы; - биодеградируемая полимерная фиксирующая пленка, армированная фиброиновыми нитями; - паста из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе бактериальных полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2. Пористые скаффолды были получены выщелачиванием раствора фиброина с использованием частиц хлорида натрия заданного размера. Бислойные скаффолды созданы путем формирования губчатой структуры на полимерной пленке. Микрочастицы на основе фиброина представляют собой фрагменты макроскаффолдов размером 50-400 мкм. Скаффолды и микрочастицы были минерализированы фосфатами кальция. Пленка изготовлена из водного раствора фиброина кастингом на гидрофобной инертной поверхности и армирована продольными и поперечными шелковыми хирургическими нитями. Для получения микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе бактериальных полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2, использованы оригинальные комбинированные методики на основе технологий одно-, двух- и многофазного эмульгирования и с использованием оригинальных методов и уникального оборудования: электродинамического мембранного распылительного высушивания. 2. Выполнено исследование структуры поверхности разрабатываемых прототипов медицинских изделий в водной среде и при дегидратации с применением современных микроскопических методов: сканирующая электронная микроскопия и конфокальная лазерная сканирующая микроскопия. 3. Исследованы особенности деструкции разрабатываемых прототипов медицинских изделий и исследованы их механические свойства: модуль Юнга, предел текучести и предельное удлинение. 4. Методом твердофазного иммуноферментного анализа (ТИФА) выполнено определение кинетики высвобождения ростового фактора BMP-2 из микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала. 5. Проведена оценка биологического действия разрабатываемых прототипов медицинских изделий будет осуществляться в соответствии с ГОСТ ISO 10993-11-2011. «Изделия медицинские. Часть 11. Исследовано общетоксическое действие». Определено влияние минерализации на адгезию, пролиферацию, жизнеспособность и скорость миграции клеток. Определена функциональная активность разрабатываемых прототипов медицинских изделий. В экспериментах in vitro и in vivo изучены остеоиндуктивная и остеокондуктивная активности разработанных экспериментальных образцов. Путем решения поставленных задач была достигнута цель проекта, сформулированная в Техническом задании ПНИЭР, а именно созданы биоискусственные аналоги элементов децеллюляризированной костной ткани, обладающие остеоиндуктивной и остеокондуктивной активностью, пригодные для восстановления поврежденных или утраченных фрагментов костей различной формы (трубчатых, губчатых, плоских, смешанных) и анатомического положения, а также усиления остеоиндуктивной активности биоискусственных субстратов за счет регулируемого локального выброса факторов, модулирующих остеогенную активность. Результаты проекта в период с 2015 по 2017 гг. были представлены на 3 мероприятиях по демонстрации и популяризации результатов и достижений науки и опубликованы в 6 статьях, в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus и в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science). По результатам работы было подано 3 заявки на патент, а также результаты 1 и 2 этапа проекта нашли отражение в диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. Все сведения о выполнении указанных индикаторов и показателей представлены в соответствующих отчетных формах. Таким образом, в результате реализации проекта в целом создан набор медицинских изделий для регенерации костной ткани, в состав которого входят пористые скаффолды, выполненные в виде дисков и брусков, бислойные скаффолды в форме мата и микрочастицы для заполнения костного дефекта или полости, обладающие остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, биодеградируемая фиброиновая армированная пленка для фиксации отломков кости, скаффолдов и микрочастиц, а также паста из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе бактериальных полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2, обладающая способностью к пролонгированному высвобождению биоактивных веществ с заданной кинетикой, для модификации скаффолдов с целью улучшения их остеоиндуктивных свойств. Проведенные исследования механических свойств экспериментальных образцов показали, что экспериментальные образцы соответствуют пункту 4.2.3, 4.2.5 и 4.2.6 ТЗ в части требований к механическим свойствам. Также было показано, что полученные экспериментальные образцы стабильны как в нейтральных, так и в окисляющих условиях в экспериментальных системах in vitro, являются биосовместимыми: поддерживают адгезию, пролиферацию и жизнеспособность как иммортализованных, так и первичных культур клеток, участвующих в регенерации. Результаты проведнных исследований в экспериментах in vitro и in vivo демонстрируют высокий потенциал развития и доведения разработанных изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани до стадии клинического применения. Дальнейшее развитие разработки и возможная коммерциализация на данной стадии будут выполняться в том числе и при участии Индустриального партнера проекта. Поскольку проект направлен на разработку медицинских изделий, предназначенных для регенеративной медицины, результаты проекта могут быть востребованы государственными и коммерческими организациями, деятельность которых связана с продвижением на рынок инновационных высокотехнологичных изделий. К таким организациям, например, можно отнести ЗАО НПП «МедИнж» и Центр Высоких Технологий "ХимРар". Основные направления деятельности включают научные исследования, разработку, внедрение и продвижение инновационных медицинских изделий, эндопротезов и инплантатов для человека.
ФЦП: Федеральная целевая программа, Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы |
# | Сроки | Название |
1 | 27 октября 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Теоретические исследования поставленных задач |
Результаты этапа: В результате выполнения 1 этапа проекта, посвященному теоретическим исследованиям поставленных задач, проведен аналитический обзор более чем 150 источников по теме проекта, из них около трети за период 2010-2015 гг. На основании проведенного анализа и имеющегося задела дано обоснование выбора направления исследований и разработаны научные и технологические основы создания биоискусственных аналогов элементов децеллюляризированной костной ткани, обладающих остеоиндуктивной и остеокондуктивной активностью, пригодных для восстановления поврежденных или утраченных фрагментов костей, а также усиление остеоиндуктивной активности биоискусственных субстратов за счет регулируемого локального выброса факторов, модулирующих остеогенную активность. В результате установлены способы создания экспериментальных образцов и методы дальнейшего исследования их структуры, механических и биологических свойств. Проведены патентные исследования по определению технического уровня и тенденций развития объектов разработки. | ||
2 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Разработка экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани. Проведение исследований in vitro |
Результаты этапа: На основании проведенных на первом этапе теоретических исследований поставленных перед проектом задач, в том числе разработанных научных и технологических основ создания экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани, были разработаны Методика инкапсулирования в биодеградируемый микрогранулярный остеоиндуктивный биоматериал на основе бактериальных полиоксиалканоатов (ПОА) белкового фактора роста BMP-2 для его последующего пролонгированного высвобождения с заданной кинетикой и Лабораторные технологические регламенты создания экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани. В соответствие данной научно-технической документацией была выполнена наработка необходимого для выполнения работ этапа количества экспериментальных образцов разрабатываемых изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани, что подтверждается Актами наработки экспериментальных образцов разрабатываемых изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани. Для полученных экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани в соответствие с Программой и методиками испытаний экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани были выполнены исследования физико-химических и биологических свойств, включая: анализ деградации экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани в модельных системах in vitro; анализ механических свойств экспериментальных образцов биорезорбируемых минерализованных пористых скаффолдов, биорезорбируемых минерализованных бислойных скаффолдов и биодеградируемой полимерной фиксирующей пленки, армированной хирургическими нитями, в том числе, измерение модуля Юнга и предельного удлинения; анализ биосовместимости экспериментальных образцов разрабатываемых изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани: изучение адгезии, пролиферации, жизнеспособности в экспериментах in vitro; исследование влияния минерализации субстратов из фиброина шелка фосфатом кальция на скорость миграции клеток; анализ кинетики высвобождения ростового фактора BMP-2 из микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала. В соответствие с разработанной научно-технической документацией созданы экспериментальные образцы биорезорбируемых минерализованных пористых скаффолдов методом выщелачивания с использованием кристаллов хлорида натрия в качестве поробразователя диаметром 100-500 мкм, экспериментальные образцы биорезорбируемых минерализованных бислойных скаффолдов, представляющие собой пористую фиброиновую губку, изготовленную путем замораживания-оттаивания раствора фиброина на пленке, сформированной в результате кастинга водного раствора фиброина, экспериментальные образцы биорезорбируемых минерализованных микрочастиц на основе фиброина изготовлены из микроскаффолдов, полученных путем криоизмельчения пористых фиброиновых скаффолдов, сформированных методам замораживания-оттаивания водного раствора фиброина, экспериментальные образцы биодеградируемой полимерной фиксирующей пленки, армированной фиброиновыми нитями, и экспериментальные образцы пасты из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2. Проведенные исследования механических свойств экспериментальных образцов показали, что экспериментальные образцы соответствуют пункту 4.2.3, 4.2.5 и 4.2.6 ТЗ в части требований к механическим свойствам. Также было показано, что полученные экспериментальные образцы стабильны как в нейтральных, так и в окисляющих условиях в экспериментальных системах in vitro, являются биосовместимыми: поддерживают адгезию, пролиферацию и жизнеспособность как иммортализованных, так и первичных культур клеток, участвующих в регенерации. Результаты выполненных работ были представлены на 1 мероприятий по демонстрации и популяризации результатов и достижений науки и опубликованы в 2 статьях, в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus и в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science). По результатам работы была подана 1 заявка на патент, а также результаты 1 и 2 этапа проекта нашли отражение в диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. | ||
3 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Проведение исследований in vivo. Обобщение и оценка полученных результатов. |
Результаты этапа: Проведен анализ остеогенной активности экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках (ММСК), выделенных из костного мозга. Результаты проведенных исследований демонстрируют, что все виды исследованных экспериментальных образцов обладают способностью стимулировать остеогенную дифференцировку ММСК, культивируемых на их поверхности. При выполнении серии экспериментов было исследовано влияние на развитие острых токсических реакций при индивидуальном введении экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани. Проведенный анализ показал, что ни один из видов разработанных экспериментальных образцов не способствует развитию острых токсических реакций, что делает возможным их применение в качестве медицинских изделий. Проведено определение скорости репаративных процессов, в том числе исследование остеоиндуктивной и остеокондуктивной активности экспериментальных образцов разрабатываемых изделий для ускорения заживления и регенерации костной, в экспериментах in vivo. в ходе экспериментальных исследований регенерации костной ткани в модели дефекта бедренной кости крысы показано, что имплантация в область дефекта ЭО биорезорбируемых минерализованных пористых скаффолдов на основе фиброина шелка, ЭО биорезорбируемых минерализованных бислойных скаффолдов на основе фиброина шелка и ЭО биорезорбируемых минерализованных микрочастиц на основе фиброина шелка приводит к ускорению заживления и регенерации костной ткани по сравнению с контрольной группой, а материал экспериментальных образцов обладает остеоиндуктивной и остеокондуктивной активностью, что подтверждается данными рентгенологических и гистологических исследований. Кроме того, экспериментальные образцы разрабатываемых изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани не являются причиной воспалительных реакций и не отторгаются при имплантации.анализ влияния комплексного применения экспериментальных образцов разрабатываемых изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани на скорость репаративных процессов, в том числе остеоиндуктивной и остеокондуктивной активности в экспериментах in vivo в модельной системе травмы бедренной кости на крысах линии Wistar посредством иссследований скорости репаратинвых процессов при имплантации комплекса ЭО, включающего: 1. ЭО биорезорбируемых минерализованных пористых скаффолдов на основе фиброина шелка и ЭО пасты из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2; 2. ЭО биорезорбируемых минерализованных бислойных скаффолдов на основе фиброина шелка и ЭО пасты из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2, в сравнении с ЭО биорезорбируемых минерализованных пористых скаффолдов на основе фиброина шелка и ЭО биорезорбируемых минерализованных бислойных скаффолдов на основе фиброина шелка.Таким образом, комплексное применение ЭО биорезобрируемых минерализованных пористых скаффолдов на основе фиброина шелка и ЭО пасты из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2, или ЭО биорезобрируемых минерализованных бислойных скаффолдов на основе фиброина шелка и ЭО пасты из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе полиоксиалканоатов (ПОА), содержащего ростовой фактор BMP-2, позволяет повысить остеоиндуктивные и остеокондуктивные свойства минерализованных фиброиновых изделий и как следствие ускорить заживление и регенерацию костной ткани, что подтверждается данными гистохимических исследований. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".