Композиционные материалы для восстановления костной ткани и лечения опухолей кости

Учеными из Института высокомолекулярных соединений Российской академии наук (ИВС РАН, г. Санкт-Петербург) разработаны биосовместимые и биоразлагаемые 2D- и 3D- полимерные материалы (пленки и трехмерные матрицы) предназначенные для восполнения пораженных/поврежденных костных тканей и способствующие ускорению их последующего восстановления.

Использование разработанного исследователями наполнителя для полимерного каркаса-носителя: модифицированных поли(глутаминовой кислотой) частиц нанокристаллической целлюлозы позволило достигнуть существенного улучшения необходимой в процессе формирования кости биоминерализации. Данный результат подтвердили не только проведенные в ИВС РАН исследования в модельных системах и выполненные в Институте цитологии РАН (ИНЦ РАН, г. Санкт-Петербург) исследования in vitro (на клетках), но и реализованные в Санкт-Петербургском научно-исследовательском институте фтизиопульмонологии эксперименты in vivo (на кроликах), продемонстрировавшие ускорение формирования в зоне имплантации собственной костной ткани по мере «рассасывания» введенного материала. Гистологические исследования срезов костных тканей, выполненные в Межрегиональном лабораторном центре (г. Санкт-Петербург), подтвердили отсутствие острого воспаления и иммунных реакций у подопытных животных на тестируемый материал.

Другим направлением исследований данной группы ученых ИВС РАН было введение в имплантируемые материалы противоопухолевых препаратов для обеспечения их местной доставки в костную ткань. В частности, для лечения злокачественных новообразований костей, в особенности такой чрезвычайно быстро растущей и характеризующейся образованием множественных метастазов опухоли кости как остеосаркома. Учеными были предложены и разработаны способы получения имплантируемых биоматериалов, являющихся системами доставки потенциальных агентов для бор-нейтронзахватной терапии – передового метода лучевой терапии рака на клеточном уровне.

Проведенные исследования продемонстрировали возможность обеспечения контроля над скоростью высвобождения препарата и деградацией материала, полученного на основе биоразлагаемой полимерной матрицы, допированной различными кластерами бора (клозо-боратами), синтезированными в Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (г. Москва). Применение таких систем может способствовать не только уменьшению количества хирургически удаляемой ткани в сопряжении с устранением проблемы риска рецидива опухоли, но и обеспечить нормальное функционирование кости и заживление костных дефектов с минимальным поражением других тканей и организма в целом в процессе лечения.

Важным аспектом для всех разработанных типов композиционных материалов является возможность изготовления их в различных заранее заданных (необходимых) формах и требуемых размеров, в том числе с помощью одного из самых передовых методов аддитивных технологий — 3D-печати. Проведенные в ИВС РАН, Институте химии Санкт-Петербургского государственного университета, ИНЦ РАН и Института технической химии Университета Ганновера (г. Ганновер, Германия) исследования механических свойств, морфологии, биосовместимости и возможности регулирования данных параметров, чтобы приблизить их к свойствам различных типов костной ткани и достичь требуемых для успешной регенерации структурных характеристик, демонстрируют большой потенциал данных материалов в качестве имплантатов для регенерации дефектов костных тканей, в том числе больших размеров.

Исследования в ИВС РАН были поддержаны Министерством науки и высшего образования (мегагрант 14.W03.31.0014, гос. задание по теме «Материалы на основе природных и синтетических полимеров для медицины, биоинженерии и биотехнологии»).

Результаты работы опубликованы в высокорейтинговых журналах:

• Averianov I., Stepanova M., Solomakha O., Gofman I., Serdobintsev M., Blum N., Kaftuirev A., Baulin I., Nashchekina J., Lavrentieva A., Vinogradova T., Korzhikov-Vlakh V., Korzhikova-Vlakh E. 3D-Printed composite scaffolds based on poly(ε-caprolactone) filled with poly(glutamic acid)-modified cellulose nanocrystals for improved bone tissue regeneration // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. V. 110. I. 11. P. 2422-2437. DOI: 10.1002/jbm.b.35100.
• Stepanova M., Dobrodumov A., Averianov I., Gofman I., Nashchekina J., Guryanov I., Klyukin I., Zhdanov A., Korzhikova-Vlakh E., Zhizhin K. Design, Fabrication and Characterization of Biodegradable Composites Containing Closo-Borates as Potential Materials for Boron Neutron Capture Therapy // Polymers. 2022. V. 14. 3864. DOI: 10.3390/polym14183864.

#статьиQ1