Bioingeniører udvikler 3-D strukturer fra krabbeskaller til at erstatte beskadiget væv

Et team af forskere fra Sechenov First Moscow State Medical University brugte 3-D-print til at skabe biokompatible strukturer på basis af kitin opnået fra krabbeskaller. Denne metode vil hjælpe med at udvikle strukturer med givne former til biomedicinske formål, herunder udskiftning af beskadiget blødt væv i den menneskelige krop. Artiklen blev publiceret i Marine stoffer .

Skaller og andre biprodukter tegner sig for 50 procent til 70 procent af vægten af ​​alle krabber fanget i verden. Som regel, de er ødelagt, hvilket kræver yderligere investeringer. Kun en mindre del behandles. Imidlertid, marine krebsdyrs kroppe indeholder meget kitin. Dette polysaccharid er udbredt i naturen - f.eks. insekternes eksoskeletter er lavet af det. Ved at fjerne visse acetylgrupper fra kitin, forskere kan få chitosan, en biopolymer med et unikt sæt biologiske, fysisk, og kemiske egenskaber. Det er biokompatibelt, dvs. forårsager ikke betændelse eller immunrespons, når den implanteres i kroppen. Det har også svampedræbende og antimikrobielle egenskaber og nedbrydes gradvist i kroppen uden at efterlade nogen giftige komponenter. Derfor er chitosan og dets derivater lovende for medicin. På dette grundlag, nye typer af biokompatible strukturer kan skabes for at genoprette beskadiget væv eller bærere til målrettet levering af lægemidler.

Den traditionelle måde at opnå chitosan fra chitin på kræver behandling af råmaterialet med aggressive kemiske reagenser såsom koncentrerede alkaliopløsninger. På grund af den lille mængde produceret chitosan og opløsningernes toksicitet, disse metoder kan ikke anvendes i industriel skala. Forfatterne til artiklen foreslår en mere miljøvenlig metode til chitinmodifikation - mekanokemisk syntese. Metoden omfatter tre typer behandling af en fast blanding:med reagenser, tryk og forskydningsspænding. Det kræver mindre alkali end den traditionelle kemiske syntese, og ingen opløsningsmidler, katalysatorer, eller procesinitiatorer er påkrævet. Den opnåede chitosan kan bruges til medicinske formål uden oprensning og fjernelse af resterende giftige stoffer.

Forskerne brugte den samme metode til at syntetisere en række chitosanderivater med forskelligt indhold af allylgrupper (fra 5 procent til 50 procent). I løbet af en sådan ændring, allylgrupper (propylenderivater, organiske substituenter med en dobbeltbinding mellem carbonatomer) tilføjes til strukturen af ​​chitosan. Dette gør det muligt for chitosanderivater at danne fotobundne film og 3-D-strukturer af enhver geometri under påvirkning af UV- og laserstråling og i nærvær af en fotoinitiator.

Filmene fremstillet af chitosanderivater blev opnået ved hjælp af fotopolymerisationsmetoden - polymeropløsninger i eddikesyre blev anbragt på en plastik og bestrålet med UV-lys, indtil de størknede. For at danne 3-D strukturer brugte forskerne en 3-D printteknologi kaldet laser stereolitografi. 3-D stilladser dannes lag for lag efter en computermodel. En fotoinitiator blev tilsat til opløsningerne af chitosanderivater, og derefter blev fotopolymerisationsreaktionen initieret med en laser. De opnåede strukturer blev først frosset og derefter tørret i et vakuumkammer (denne metode kaldes lyofilisering eller frysetørring). Efter det, materialet i strukturerne blev porøst.

På den sidste fase af forskningen, holdet implanterede de dannede strukturer i rotter (under huden i det interskapulære område). Eksperimentet in vivo varede i 90 dage, og ingen af ​​implantaterne viste tegn på toksicitet i denne periode. Dette indikerer, at stilladserne er biokompatible. Forskerne fandt ud af, at de implanterede strukturer først begyndte at nedbrydes biologisk efter 60 dage efter eksperimenterne. Holdet planlægger at lære at styre denne proces og at skabe implantater med den nødvendige bionedbrydningshastighed.

"Denne metode til strukturering af chitosanderivater giver skabelsen af ​​3D-strukturer med fysiologisk relevante størrelser. De kan bruges til at helbrede store (mere end 1 cm) vævsdefekter, " siger Ksenia Bardakova, medforfatter til værket, og en juniorforsker ved afdelingen for moderne biologiske materialer, Institut for Regenerativ Medicin, Sechenov Universitet. "Efter at have studeret stabiliteten af ​​prøverne in vivo, vi demonstrerede for første gang, at nedbrydningsområderne fordeles periodisk, ikke kaotisk. Det bekræfter hypotesen om mekanismen for bionedbrydning af chitosan-baserede materialer:De mindst ordnede amorfe områder af polymeren nedbrydes først. Forståelsen af ​​denne mekanisme vil hjælpe os med at danne strukturer, hvor nedbrydningshastigheden ville være sammenlignelig med genopretningshastigheden af ​​det erstattede væv eller organ. Stilladset ville nedbrydes i den præcise mængde tid, som det beskadigede væv kræver for at genoprette dets integritet og funktioner."

Arbejdet er en del af en forskningscyklus om dannelsen af ​​3-D strukturer fra hydrogeler (med vand som dispersionsmedium, hvori faste partikler danner et 3-D gitter) baseret på naturlige polysaccharider.