Стадия разработки: успешно созданные прототипы
Кафедра системного анализа и управления в медицинских системах.
Реферат.
По дисциплине «Конструкционные и биоматериалы»
На тему: Материалы для искусственных органов
Выполнила студентка 2 курса группы БМ-111: Шевякова Л.Д.
Проверил: доц. Коровин В.Н.
Воронеж 2013
Содержание
Введение 3
1 Тканевая инженерия 4
1.1 Классы биоматериалов 4
2 Искусственные органы 6
2.1 Искусственная матка 6
2.2 Искусственный кишечник 7
2.3 Искусственные кровеносные сосуды и капиллярные сети 7
2.4 Искусственные кости 8
2.5 Искусственная кожа 8
2.6 Искусственная сетчатка 9
2.7 Искусственные зубы 10
2.8 Искусственное сердце и искусственные замены его частей 11
2.9 Искусственные мышечные ткани 13
2.10 Искусственные органы дыхания 13
2.11 Искусственная печень 14
Заключение 15
Список литературы 16
Введение
Идеи о замене больных органов здоровыми возникли у человека еще несколько веков назад. Но несовершенные методы хирургии и анестезиологии не позволяли осуществить задуманное. В современном мире трансплантация органов заняла достойное место в лечении терминальных стадий многих заболеваний. Были спасены тысячи человеческих жизней. Но проблемы возникли с другой стороны. Катастрофический дефицит донорских органов, иммунологическая несовместимость и тысячи людей в листах ожидания того или иного органа, которые так и не дождались своей операции.
Ученые всего мира все чащи задумывались над созданием искусственных органов, которые могли бы заменить настоящие по своим функциям, и в этом направлении были достигнуты определенные успехи. Нам известны искусственные почка, легкие, сердце, кожа, кости, суставы, сетчатка, кохлеарные импланты.Одно из важных направлений современной медицины – создание искусственных органов. Искусственные органы – это созданные человеком органы-имплантанты, которые могут заменить настоящие органы тела. Одним из направлений биотехнологии, которое занимается созданием биологических заместителей тканей и органов, является тканевая инженерия (ТИ).
Современная тканевая инженерия начала оформляться в самостоятельную дисциплину после работ Д.Р. Уолтера и Ф.Р. Мейера (1984), которым удалось восстановить поврежденную роговицу глаза с помощью пластического материала, искусственно выращенного из клеток, взятых у пациента. Этот метод получил название кератинопластика. После симпозиума, организованного Национальным научным фондом США (NSF) в 1987 г., тканевая инженерия стала считаться новым научным направлением в медицине. К настоящему времени большинство работ в этой области выполнено на лабораторных животных, но часть технологий уже используется в медицине.
Тканевая инженерия
Создания искусственных органов состоит из нескольких этапов. На первом этапе отбирают собственный или донорский клеточный материал (биопсия), выделяют тканеспецифичные клетки и культивируют их. В состав тканеинженерной конструкции, или графта, кроме культуры клеток входит специальный носитель (матрица). Матрицы могут быть выполнены из различных биосовместимых материалов. Клетки полученной культуры наносятся на матрицу, после чего такая трехмерная структура переносится в биореактор с питательной средой, где инкубируется в течение определенного времени. Первые биореакторы были созданы для получения искусственной печеночной ткани.
Для каждого типа выращиваемого графта подбирают специальные условия культивирования. Например, для создания искусственных артерий используют проточный биореактор, в котором поддерживается постоянный проток питательной среды с переменным пульсовым давлением, имитирующим пульсацию тока крови.
Иногда при создании графта используют технологию префабрикации: конструкцию вначале помещают не на постоянное место, а в область, хорошо снабжаемую кровью, для дозревания и формирования микроциркуляции внутри графта.
В качестве клеточного материала для создания искусственных органов применяют культуры клеток, входящих в состав регенерируемой ткани или являющихся их предшественниками. Так, например, при получении графта для реконструкции фаланги пальца были использованы приемы, вызывающие направленную дифференцировку стволовых клеток костного мозга в клетки костной ткани.
Если для создания графта применялся собственный клеточный материала пациента, то происходит практически полная интеграция графта со скорейшим восстановлением функции регенерируемого органа. В случае использования графта с донорскими клетками в организме включаются механизмы индукции и стимуляции собственной репаративной активности, и за 1–3 месяца собственные клетки полностью замещают разрушающиеся клетки графта.
Биоматериалы, используемые для получения матриц, должны быть биологически инертными и после графтинга (перенесения в организм) обеспечивать локализацию нанесенного на них клеточного материала в определенном месте. Большинство биоматериалов тканевой инженерии легко разрушаются (резорбируются) в организме и замещаются его собственными тканями. При этом не должны образовываться промежуточные продукты, обладающие токсичностью, изменяющие рН ткани или ухудшающие рост и дифференцировку клеточной культуры. Нерезорбируемые материалы почти не применяются, т.к. они ограничивают регенерационную активность, вызывают избыточное образование соединительной ткани, провоцируют реакцию на инородное тело (инкапсуляцию).
Классы биоматериалов
Для создания тканей и органов применяются в основном синтетические материалы, материалы на основе природных полимеров (хитозан, альгинат, коллаген), а также биокомпозитные материалы (табл. 3).
Таблица 3. Классы биоматериалов, применяемых в тканевой инженерии.
| Биоматериал | Биосовмести- мость (включая цитотоксичность) | Токсичность | Резорбция | Область применения |
| Синтетические: Полимеры на основе органических кислот Гидроксиапатит | + + | ++ + | Полная до СО2 и Н2О Нерезорбируемый | Хирургия, в тканевой инженерии как матрица-носитель практически для всех культур клеток. Костная ткань |
| Природные: Альгинат | ++ | + | Полная | Перевязочные материалы, в тканевой инженерии в виде гидрогелей (хондробласты, нервные клетки) |
| Хитозан | ++ | + | Полная | Перевязочные материалы, в ТИ в виде пленок, губок; в сочетании с коллагеном (реконструкция костной, мышечной, хрящевой тканей, сухожилий) |
| Коллаген | +++ | –/+ | Замещение собственными белками, ферментативный лизис | Перевязочные материалы, в ТИ (губки, трехмерные модели, пленки) как матрица-носитель практически для всех культур клеток. |
| Внеклеточный матрикс (естественные биологические мембраны) | ++++ (за счет включенных в структуры биологически активных веществ и факторов роста) | –/+ | Ремоделирование с заменой собственными белками | Шовный материал, в ТИ (трехмерные модели, пленки) как матрица-носитель для практически всех культур клеток |
Одними из первых в тканевой инженерии стали применяться биодеградируемые синтетические биоматериалы на основе полимеров органических кислот, например молочной (PLA, полилактат) и гликолевой (PGA, полигликолид). При этом в состав полимера может входить как один тип кислотного остатка, так и их сочетания в различных пропорциях. Матрицы на основе органических кислот легли в основу создания таких органов и тканей, как кожа, кость, хрящ, сухожилие, мышцы (поперечно-полосатая, гладкая и сердечная), тонкая кишка и др. Однако у этих материалов имеются недостатки: изменение рН окружающих тканей при расщеплении в организме и недостаточная механическая прочность, что не позволяет использовать их как универсальный материал для матриц и подложек.
Особое место среди материалов для биоматриц-носителей занимают коллаген, хитозан и альгинат.
Коллаген - практически не имеет антигенных свойств. Использованный в качестве матрицы, он разрушается за счет ферментативного гидролиза и структурно замещается собственными белками, синтезируемыми фибробластами. Из коллагена могут быть изготовлены матрицы с заданными свойствами для реконструкции практически любых органов и тканей. Являясь естественным тканевым (межклеточным) белком, он оптимально подходит в качестве носителя культуры клеток, обеспечивая рост и развитие ткани.
Альгинат – полисахарид из морских водорослей, может быть использован в качестве матрицы-носителя, однако не обладает достаточной биологической совместимостью и оптимальными механическими свойствами. Обычно он используется в виде гидрогелей для восстановления хрящевой и нервной ткани.
Хитозан– азотсодержащий полисахарид, который является основной составляющей наружного покрова насекомых, ракообразных и паукообразных. Этот биоматериал получают из хитиновых панцирей ракообразных и моллюсков. В настоящее время заслуживает внимания комбинированный по составу препарат – коллагеново-хитозановый комплекс. В ходе лабораторных и клинических исследований была показана его инертность и способность сохранять жизнеспособность клеточной культуры как in vitro, так иin vivo. Этот комплекс разрешен Минздравом РФ в качестве перевязочного, ранозаживляющего средства и уже используется в клинической практике в хирургии и стоматологии.
Искусственные органы
Искусственная матка
Стадия разработки: успешно созданные прототипы.
В настоящее время врачи завершают работу над созданием искусственных маток, в которых эмбрионы смогут развиваться вне материнского тела. Эта работа рассматривается, как настоящий прорыв в борьбе с бездетностью.
Ученым удалось создать прототип женского лона, полученный из клеток взятых из организма женщин. Эмбрионы успешно приживаются, прикрепляясь к стенкам лабораторных маток, и начинают активно развиваться. Однако, эксперименты пока прекращают на стадии нескольких дней роста эмбриона, поскольку эти опыты находится противоречии с законом об искусственном оплодотворении.
Работа доктора Лиу заключается в правильном отделении клеток, выстилающих женское лоно, и выращивании их в лабораторных условиях, используя гормоны и иные факторы роста. Вслед за этим доктор Лиу с коллегами выращивают целый покров этих клеток на остовах биоразрушаемых материалов, которые по форме полностью напоминают внутреннее строение женского лона. Клетки постепенно разрастаются, создавая ткань, а материал, послуживший им основой, саморазрушается под их воздействием. Затем в искусственно созданную ткань добавляют питательные вещества и гормоны, такие как эстроген. Наконец, берутся эмбрионы, оставшиеся от программ по искусственному осеменению и вводятся во внутрь выращенных маток. Эмбрионы прикрепляются к стенкам искусственного лона и начинают расти. Пока опыты прерывают на шестой день. Однако, в ближайшее время доктор Лиу планирует продолжить свой эксперимент, выращивая эмбрионы в течение 14 дней. Этот срок максимально разрешен законом для проведения абортов.
Несколько другую методику используют японские ученые из Токийского университета. Группа профессора Йосинори Кувабара извлекает матки у коз и помещает их в стерильные пластиковые емкости, заполненные амниотической жидкостью (околоплодными водами), в которой постоянно поддерживается температура тела. Исследователи поддерживают жизнеспособность козьей матки и выращивают ее в течение 10 дней, подавая в емкости питательные вещества. Опыты японской группы направлены на помощь тем женщинам, которые страдают от выкидышей или преждевременных родов, не имея возможности выносить плод положенный срок.
Вместе с тем, обе группы специалистов убеждены, что в искусственных матках можно выращивать зародыши все положенные девять месяцев. Ученые утверждают, что это станет возможным уже в ближайшие несколько лет. Искусственное выращивание детей даст возможность и однополым парам иметь своих собственных детей.