Российские ученые создали криогель, который восстанавливает ткань и доставляет лекарство

«Умный» криогель для раны: российские ученые объединили тканевый каркас и длительную доставку лекарства

Рана превращается из места повреждения в управляемую микросреду

Обычная повязка прежде всего защищает поврежденную поверхность. Каркас для тканевой инженерии решает более сложную задачу: он должен временно занять место утраченной ткани и создать трехмерную среду, в которую смогут проникать клетки организма.

Именно поэтому исследователей интересуют криогели — пористые полимерные материалы, формирующиеся при замораживании и последующем оттаивании исходной системы. Во время замораживания кристаллы растворителя фактически работают как временный шаблон. После оттаивания на их месте остаются поры, а между ними — связанная полимерная сеть.

Такая архитектура принципиальна для тканевой инженерии. Клеткам недостаточно просто соприкасаться с материалом: им требуется пространство для миграции и роста, доступ питательных веществ и возможность удалять продукты обмена. В идеале искусственный каркас должен частично воспроизводить функции внеклеточного матрикса — естественной трехмерной среды, окружающей клетки в тканях.

Но высокая пористость создает другую проблему: материал может оказаться слишком мягким или механически нестабильным. Поэтому разработка тканевых каркасов всегда связана с поиском компромисса между пористостью, прочностью, набуханием, биосовместимостью и способностью материала постепенно выполнять свою функцию в организме.

Полимерные микрочастицы сделали криогель одновременно жестче и функциональнее

Разработка Университета Решетнева основана на криогеле из поливинилового спирта. В его структуру исследователи ввели микрочастицы биоразлагаемого полимера.

В опубликованных материалах исследовательской группы описан принцип этой конструкции: микрочастицы располагаются внутри пор криогеля и выполняют сразу несколько функций. Они изменяют механические характеристики материала и одновременно могут служить носителями вещества, которое необходимо постепенно высвобождать в окружающую среду.

По данным, представленным Университетом Решетнева, включение микрочастиц увеличило модуль упругости материала на 110%. Модуль упругости показывает, насколько сильно материал сопротивляется деформации: чем он выше, тем жестче конструкция при одинаковой нагрузке.

Одновременно изменилась внутренняя архитектура криогеля. Открытая пористость снизилась с 31% до 16%, а материал стал меньше набухать.

На первый взгляд уменьшение пористости может показаться недостатком: для тканевого каркаса свободное пространство необходимо клеткам. Но здесь проявляется одна из центральных инженерных задач. Максимальная пористость сама по себе не является целью. Необходимо подобрать структуру, при которой материал одновременно сохраняет пространство для биологических процессов, имеет подходящую механическую устойчивость и позволяет управлять переносом лекарственного вещества.

Именно поэтому возможность изменять характеристики криогеля концентрацией и составом наполнителя потенциально важнее одного конкретного показателя прочности.

Две недели вместо быстрого выброса антисептика

Вторая функция композитного материала связана с доставкой лекарства непосредственно в область повреждения.

В исследовательских материалах группы в качестве модельного антисептика использовался бриллиантовый зеленый. Эксперименты проводились in vitro, то есть вне живого организма. Авторы также оценивали антибактериальную активность в отношении Staphylococcus aureus и Escherichia coli и биосовместимость материала на культуре мышечных клеток C2C12.

По сообщению Университета Решетнева, включение микрочастиц позволило избежать быстрого высвобождения большей части вещества и растянуть его выход из материала до 14 дней.

Это не просто удобная дополнительная функция. Быстрый первоначальный выброс лекарственного вещества — одна из проблем локальных систем доставки: концентрация сначала резко возрастает, а затем быстро падает. Если материал способен обеспечивать более равномерное высвобождение, терапевтическое воздействие теоретически можно поддерживать непосредственно в зоне повреждения дольше и с меньшей зависимостью от повторного нанесения препарата.

Идея объединить тканевой каркас и резервуар для лекарства развивается во многих исследовательских группах мира. В криогели и другие гидрогелевые конструкции помещают антибиотики, противовоспалительные вещества, факторы роста и другие биологически активные соединения. В некоторых системах лекарство находится непосредственно в полимерной сети, в других — сначала заключается в микро- или наночастицы, которые затем встраиваются в каркас.

Последний подход особенно интересен: появляются два уровня управления системой. Сам криогель определяет общую архитектуру материала, а частицы внутри него могут регулировать механические свойства и кинетику высвобождения лекарства.

Жесткость каркаса — не просто инженерный параметр

Для регенеративной медицины способность регулировать механические свойства материала имеет биологическое значение.

Разные мягкие ткани организма существенно различаются по жесткости. Клетка воспринимает окружающую механическую среду через взаимодействие с внеклеточным матриксом, поэтому физические характеристики поверхности способны влиять на ее прикрепление, форму, миграцию и поведение.

Это означает, что универсальный каркас с одной фиксированной жесткостью не обязательно будет оптимальным для разных тканей. Возможность изменять механические характеристики криогеля потенциально позволяет создавать семейство материалов, адаптированных под конкретные задачи.

Однако именно здесь начинается переход от перспективной материаловедческой разработки к значительно более сложной биомедицинской технологии. Недостаточно показать, что материал стал прочнее. Необходимо определить, какая жесткость нужна конкретной ткани, как меняются свойства после имплантации, что происходит при длительном контакте с биологическими жидкостями и как на материал реагируют клетки, иммунная система и окружающие ткани.

Между лабораторным криогелем и медицинским изделием остается длинная дистанция

Сообщение о разработке не следует интерпретировать как появление готовой «умной» повязки или имплантата.

Представленные результаты в первую очередь характеризуют материал: его механические свойства, пористость, набухание, высвобождение модельного антисептика, антибактериальную активность и взаимодействие с клеточной культурой. Это важные этапы разработки, но они еще не отвечают на главный клинический вопрос — улучшает ли такой материал заживление реальной раны по сравнению с существующими решениями.

Следующим уровнем проверки должны стать исследования в более сложных биологических моделях. Потребуется оценивать воспалительную реакцию, формирование сосудов, проникновение клеток внутрь каркаса, восстановление ткани, возможную инфекцию, поведение материала при движении и механической нагрузке, а также последствия его длительного нахождения в организме.

Отдельная задача — лекарственная часть системы. Кинетика высвобождения вещества в лабораторном растворе не обязательно будет такой же в ране, где одновременно присутствуют кровь, тканевая жидкость, ферменты, белки, клетки и микроорганизмы.

Поэтому 14-дневное высвобождение следует рассматривать прежде всего как характеристику экспериментальной системы, а не как уже установленную продолжительность действия будущей повязки у человека.

«Умные» биоматериалы объединяют устройство и лекарственную терапию

Практическая ценность красноярской разработки заключается не столько в отдельном криогеле, сколько в архитектуре решения.

Современная тканевая инженерия постепенно отходит от представления о каркасе как о пассивной опоре для клеток. Материал может одновременно задавать механическую среду, обеспечивать трехмерную структуру, регулировать проникновение жидкости и клеток и служить локальным резервуаром для лекарственных или биологически активных веществ.

Для лечения сложных и инфицированных ран такой подход особенно привлекателен. Вместо последовательного применения нескольких отдельных средств теоретически можно получить материал, который закрывает дефект, поддерживает восстановление ткани и одновременно контролируемо воздействует на локальную инфекционную или воспалительную среду.

Для врачей это в перспективе могло бы означать появление более функциональных раневых покрытий и имплантируемых материалов. Для разработчиков медицинских изделий возникает более сложная задача: необходимо одновременно контролировать механические, биологические и фармакологические характеристики одной конструкции.

Именно эта сложность пока ограничивает переход многих подобных разработок из лаборатории в клинику. Чем больше функций получает биоматериал, тем больше параметров необходимо воспроизводимо контролировать при производстве и тем убедительнее должна быть доказана его безопасность.