Механические свойства биоинженерного протеза трахеи на основе синтетического ультраволокнистого матрикса

Замещение значительных дефектов трахеи, необходимое при различных патологических состояниях (опухоли трахеи и соседних органов, травмы, аномалии развития), требует создания биосовместимых протезов трахеи, обладающих механическими характеристиками, сходными с нативным органом [2, 3, 7, 9–11]. В настоящее время отсутствуют рекомендованные для клинической практики протезы трахеи. Одним из перспективных направлений в данной области является создание биоинженерных конструкций, для которых используют деиммунизированную (десселлюляризированную) донорскую трахею или синтетические скаффолды, заселяемые клетками потенциального реципиента [7, 16]. Процесс децеллюляризации (удаление клеток трахеи) осуществляется посредством химической (биохимической) обработки или воздействия физических факторов, что может приводить к изменению механических свойств трахеи. В частности, было показано, что длительная биохимическая обработка нативной трахеи приводит к снижению ее прочности и каркасности за счет воздействия на структурные элементы хрящевого матрикса (глюкозаминогликаны) [12, 14, 16, 17, 21].

Современные полимерные материалы, уже зарекомендовавшие себя в клинической практике в качестве протезов сосудов и тканей, могут явиться альтернативой донорской трахее [3, 4, 15]. Недавние исследования показали, что пористые матриксы на основе производных полиуретана, созданные методом 3 D- прототипирования, могут быть использованы для получения биоинженерных протезов трахеи, которые по своим механическим свойствам приближаются к нативному органу [4, 13, 15, 21]. Благодаря своей биосовместимости они хорошо колонизируются клетками как в условиях in vitro , так и при имплантации в целостный организм. Подобные биоинженерные протезы трахеи на основе синтетических матриксов, заселенных мезенхимальными мультипотентными (стволовыми) клетками (МСК) костного мозга реципиентов, были трансплантированы нескольким пациентам для замещения значительных циркулярных дефектов трахеи [6]. Авторами была разработана оригинальная конструкция матрикса трахеи на основе ультраволокнистого фторопласта, армированная полиуретановыми полукольцами. Ранее было показано, что ультраволокнистый матрикс по своим механическим свойствам приближается к нативной трахее [4].

Целью настоящего исследования является сравнение механических характеристик синтетического матрикса и биоинженерной конструкции, полученной на его основе, после имплантации экспериментальным животным.

Условия проведения эксперимента

Синтетические матриксы трахеи для исследований на собаках были изготовлены из нетканого материала на основе фторопласта методом электроспиннинга на опытной однокапиллярной установке для электроспиннинга.

Полукольца, армирующие нетканый полимерный материал, получали методом термопрессования, в качестве исходного материала использовали полиуретан.

Исследования проведены на шести собаках породы бигль, содержащихся в условиях вивария и отделения экспериментальной терапии Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина. Все манипуляции с лабораторными животными выполнены в соответствии с международными рекомендациями по проведению медико-биологических исследований с использованием животных, изложенными в «Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей» (ЕЭС, Страсбург, 1985, 1986), требованиями Хельсинкской декларации и Всемирной медицинской ассоциации (2000).

Матриксы трахеи заселяли мезенхимальными мультипотентными клетками, выделенными из костного мозга собак. Полученные биоинженерные конструкции имплантировали в межмышечное пространство паховой области животных. Через один месяц биоимпланты извлекали для исследования механических свойств в сравнении с синтетическими матриксами трахеи (без заселения МСК).

Оценку механических свойств образцов синтетических матриксов трахеи и биоимплантатов, извлеченных через один месяц после имплантации собакам, проводили по описанной ранее методике [4]. Для этих целей от каждого образца

а

б

Рис. 1. Фрагменты биоимплантата трахеи перед испытаниями: а – участок с полиуретановыми кольцами; б – внешний ( 1 ) и внутренний ( 2 ) слои нетканого материала

Рис. 2. Оценка механических свойств образцов с помощью универсальной испытательной машины «Инстрон 5965» с компьютерной системой анализа данных в рабочем режиме

синтетического матрикса и биоимплантата отбирали фрагменты для испытаний – участок, включающий полиуретановые полукольца шириной 10,0 ± 0,1 мм (рис. 1, а ) и фрагменты нетканого слоя длиной 50,0 ± 0,1 мм и шириной 15,00 ± 0,05 мм (рис. 1, б ).

Расчет прочности Р проводили по формуле, определяя условное сечение образцов через их массу и плотность соответствующего полимера [1]:

P

1-p-Fp, m где Fр – разрывная нагрузка, Н; Сусл – длина рабочей части образца, м; ρ – плотность полимера, кг/м3; m – масса рабочей части образца, кг. Модуль Юнга рассчитывали по стандартным методикам [5]. Результаты исследования прочностных свойств материалов приведены с указанием стандартной ошибки.

Участок биоимплантата или матрикса, включающий полукольца, исследовали на однократное сжатие с определением показателя кольцевой жесткости при вертикальном изменении внутреннего диаметра на 20 %, рассчитанного по ASTMD 2412–02, и на многократное сжатие: падение развиваемой нагрузки после 1000 циклов сжатия на 20 % внутреннего диаметра в сравнении с первым циклом. Испытания проводили в среде фосфатного буфера при температуре 23 ± 1 °С.

Исследование механических свойств образцов осуществляли с использованием универсальной испытательной машины «Инстрон 5965» с набором зажимов и платформ для испытаний на растяжение и на сжатие (рис. 2). Измерение параметров проводили через 3–5 ч после извлечения образцов. До этого образцы находились в стерильном 0,9%-ном растворе хлорида натрия при –4 °С.

Результаты экспериментов

Для оценки изменений механических свойств имплантированного биоинженерного протеза и матрикса изучали прочностные характеристики фрагментов нетканой части матрикса, которая конструкционно является аналогом мягкотканой части нативной трахеи, а также упругость целостного фрагмента матрикса. С этой целью измеряли условную прочность слоев матрикса при разрыве, а также определяли показатель кольцевой жесткости при однократном сжатии и относительный показатель падения развиваемой нагрузки. Результаты приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Прочностные характеристики мягкотканого матрикс а трахеи

Критерий статистического анализа	Условная прочность при разрыве, МПа		Условный модуль Юнга, МПа
	матрикс	биоимплантат	матрикс	биоимплантат
Среднее значение	13,5	15,7	29,5	32,1
Медиана	13,5	15,7	29,5	32,1
SDcase 1–90	0,91	0,88	5,84	5,22
Минимум	12,2	14,0	23,0	29,9
Максимум	14,6	16,7	38,8	41,1
25%-ный квартиль	12,7	14,5	22,0	31,3

Таблица 2

Упругость фрагмента матрикса, армированного полукольцами на основе полиуретана

Критерий статистического анализа	Многократное сжатие – показатель падения развиваемой нагрузки, %		Однократное сжатие – показатель кольцевой жесткости, КПа
	матрикс	биоимплантат	матрикс	биоимплантат
Среднее значение	8,2	7,6	42,6	38,3
Медиана	8,2	7,6	43,4	38,2
SDcase 1–90	0,41	0,06	3,33	0,12
Минимум	7,6	7,6	38,2	38,2
Максимум	8,6	7,7	47,2	38,4
25 %-ный квартиль	7,8	7,6	39,2	38,2
75 %-ный квартиль	8,6	7,7	44,0	38,4

б

а

в

Рис. 3. Синтетический матрикс ( а ), биоимплантат трахеи ( б ) и биоимплантат трахеи (вид сбоку) ( в )

Как следует из представленных фотографий (рис. 3), после одного месяца имплантации биоинженерная конструкция не теряет своих конфигуративных свойств и каркасности и сохраняет просвет. По своим механическим свойствам биоимплантаты достоверно не отличались от исходного синтетического матрикса трахеи. Однако прочностные характеристики биоинженерного протеза, включая условную прочность при разрыве и условный модуль Юнга, имели тенденцию к увеличению по сравнению с аналогичными показателями для синтетического матрикса трахеи. При анализе показателей упругости биоимплантата, напротив, отмечалась тенденция к их снижению по сравнению с исходным синтетическим матриксом трахеи.

Выводы

Таким образом, через один месяц после имплантации экспериментальным животным тканеинженерная конструкция на основе синтетического матрикса по своим механическим свойствам достоверно не отличалась от исходного синтетического матрикса трахеи на основе ультраволокнистого полимерного материала. Полученные результаты позволяют заключить, что заселение синтетического матрикса трахеи мезенхимальными стволовыми клетками реципиента в условиях in vitro и in vivo (воздействие внутренней среды организма) при имплантации собакам существенно не изменяет механических свойств биоимплантата. Этот факт свидетельствует о целесообразности проведения дальнейших доклинических исследований с целью оценки перспективности использования биоинженерного протеза для замещения дефектов трахеи у онкологических больных и пациентов с травмами органа.