|
НЕКОТОРЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЕГРАДАЦИЕЙ БИОМЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТИРУЕМЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ КОЛЛАГЕНА И ГИАЛУРОНОВОЙ КИСЛОТЫ
1Центральный научно-исследовательский институт стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, 119021, Москва, ул. Тимура Фрунзе, 16; *e-mail: rudik_is@cniis.ru Ключевые слова: гиалуроновая кислота; деградация; коллаген; полимерный матрикс DOI: 10.18097/BMCRM00289 ВВЕДЕНИЕ Полимерные и функциональные материалы являются одной из основ развития современной реконструктивной хирургии [1]. По данным аналитических исследований, мировой рынок всех биодеградируемых полимеров для медицинских целей оценивается в несколько миллиардов долларов США [1–3]. Среди существующих полимеров наиболее часто используют коллаген и гиалуроновую кислоту [4]. Одним из наиболее динамично развивающихся направлений является создание полимерных материалов, которые способны к контролируемой деградации в организме с образованием нетоксичных, способных к выведению метаболитов [5]. Разработка таких материалов является важной задачей при создании имплантируемых медицинских изделий. Возможность регулирования процесса деградации полимеров позволяет подобрать условия для своевременного замещения собственными тканями без существенного изменения изначально заданного объёма, формировать стабильную среду для активной миграции, адгезии и дифференцировки клеток. Большое число комбинаций материалов и методов делает проблему начального выбора стратегии разработки материала на основе литературного анализа затруднительной в отсутствии регулярной систематизации накопленных данных. Согласно публикационной статистике базы данных PubMed за последние 10 лет, число оригинальных публикаций, посвященных теме модификации свойств многокомпонентных биомедицинских материалов на основе коллагена и гиалуроновой кислоты, увеличилось с 44 до 65 в год. Однако, несмотря на ежегодный рост числа публикаций, количество работ, в которых детально изучается деградация таких материалов в модельных средах, остается на уровне примерно 10 в год. Систематизация данных по этой проблеме всё ещё недостаточна, что связано с разнообразием состава, концентраций, форм и условий оценки конечных свойств материалов. В данном обзоре рассмотрены возможности различных подходов к изменению сроков деградации биоразлагаемых материалов за счёт изменения состава, химической модификации. 1. КОЛЛАГЕН С точки зрения биосовместимости коллаген представляет собой один из лучших исходных материалов для создания имплантируемых матриксов. Очищенный коллаген не провоцирует иммунных реакций, а продуктами его биодеградации являются безопасные метаболиты, которые способны участвовать в синтезе новых белков в организме [5, 6]. Однако типичные для белков короткие сроки гидролитической и ферментативной деградации ограничивают его применение для изготовления искусственных внеклеточных матриксов или скаффолдов, поддерживающих объём тканей [4, 7]. В условиях отсутствия ферментативного гидролиза коллагеновая губка из немодифицированного коллагена подвергается деградации в фосфатно-буферном растворе при 37 ºС в течение 6 суток [8]. Ферментативный гидролиз значительно ускоряет процесс распада коллагеновых материалов, что приводит к тому, что несшитый в среде бактериальной коллагеназы теряет 70–75% массы в течение 24 часов [9]. Это согласуется с результатами, полученными другим коллективом авторов для коллагеновой губки, которая практически полностью деградировала в течение 3 суток [10]. Введение в состав коллагеновых материалов добавок синтетических полимеров, обычно имеющих большие сроки деградации по сравнению с коллагеном, снижает скорость гидролиза. В большинстве случаев речь идет о соединениях, прямо участвующих в образовании структуры в процессе межмолекулярной сшивки. Классическим примером может служить добавление к коллагену полиэтиленгликоль-диакрилата (PEG-DA), который часто используют в качестве связующего агента, образующего цепи между молекулами белка. Его включение в состав фотосшиваемого материала на основе коллагена позволяет сохранить до 90% массы материала даже после 8 дней инкубации в культуральной среде при 37ºС [11]. Ферментативная деградация фотополимеризуемого коллагенового матрикса, содержащего в своем составе поликапролактон-метакрилоил, по истечению 4 недель не превышала 12%, тогда как контрольный образец, не содержащий синтетических добавок, в тех же условиях полностью деградировал менее чем за 3 дня [10]. Полимерные матриксы на основе коллагена, содержащие от 10% до 80% масс. гиалуроновой кислоты, также демонстрируют увеличение сроков биодеградации. Это связано с тем, что устойчивость гиалуроновой кислоты к гидролизу сильно зависит от её молекулярной массы, как это будет показано в соответствующем разделе. Наибольшую устойчивость к гидролизу обнаружили у материалов, содержащих 50% масс. гиалуроновой кислоты, потеря массы которых после выдерживания в культуральной среде в течение 21 дня не превышала 20% [12]. Похожие результаты были получены при сшивании коллагена с гиалуроновой кислотой в гетерогенной фазе с использованием ацетона в качестве сшивающего агента, при этом существенно увеличилась устойчивость материала к ферментному расщеплению. Потеря массы для химически сшитого коллаген-гиалуронового матрикса составила менее 5% за 24 ч [9]. Следует заметить, что межмолекулярная сшивка коллагена в отсутствии модифицирующего полимера сохраняет скорость биодеградации близкой к исходной или вызывает относительно небольшое её снижение. Установлено, что коллагеновый матрикс, полученный реакцией фотополимеризации УФ-излучением в присутствии рибофлавина, в процессе ферментативной деградации в 0,4% растворе коллагеназы за 6 ч теряет 20% своей массы [13]. Потеря массы для физических коллагеновых гелей, не содержащих в своем составе фотоинициатор – рибофлавин, в тех же условиях составляла 80% [13]. В некоторых случаях наличие низкомолекулярных функциональных соединений также способно увеличить гидролитическую устойчивость коллагена. Например, компоненты присутствующие в составе коммерческих стоматологических адгезивов (2-гидроксиэтилметакрилат или N,N-диэтил-1,3-бис(акриламидо)пропан), существенно влияют на скорость деградации зубного коллагена, полученного путем истирания в криогенной мельнице очищенных от эмали моляров. Испытания, проведённые в искусственной слюне при 37ºС в течение 3 суток, показали, что скорость деградации модифицированного коллагена снизилась на 80% [14]. Приведённые результаты показывают, что подходы к увеличению сроков деградации имплантируемых матриксов на основе коллагена сводятся к формированию пространственной сшивки молекул белка с использованием в качестве сшивающих агентов синтетических и природных полимеров. При этом сшивка между молекулами самого белка не показала высокой эффективности для увеличения сроков деградации. 2. ГИАЛУРОНОВАЯ КИСЛОТА Гиалуроновая кислота – один из наиболее распространённых коммерчески доступных эндогенных полисахаридов – нашла свое применение не только в тканевой инженерии, но и при создании материалов для направленной доставки лекарств [15]. В зависимости от молекулярной массы гиалуроновая кислота способна как к замедлению, так и к ускорению процесса деградации. Быстрая резорбция в тканях гиалуроновой кислоты с относительно низкими молекулярными массами затрудняет ее использование в качестве основы для имплантируемых костно-пластических материалов. Так, в гидролитической среде лиофилизированная губка из гиалуроновой кислоты с низкой молекулярной массой теряет 50% своей массы всего за 48 ч [16]. Однако она может быть использована как модификатор скорости резорбции. Например, матрикс на основе гиалуроновой кислоты с молекулярной массой 10 кДа, содержащий 10% масс. акрилированной гиалуроновой кислоты, деградирует в 4 раза быстрее, чем матрикс с гиалуроновой кислотой с молекулярной массой 50 кДа, как в гидролитической среде, так и в присутствии гиалуронидазы [17]. Помимо варьирования молекулярной массы, гидролитическая устойчивость материалов на основе гиалуроновой кислоты значительно изменяется при наличии межмолекулярной сшивки [18]. Метакрилированный желатин в составе фотополимеризуемого матрикса увеличивает скорость ферментативной деградации метакрилированной гиалуроновой кислоты с молекулярной массой 80–100 кДа в фосфатно-буферном растворе коллагеназы на 20–62% в течение 24 ч [19]. Причем большее содержание метакрилированной гиалуроновой кислоты в составе матрикса замедляет ферментативной деградацию. Этот эффект авторы объясняют образованием более сильных ковалентных связей между метакрилированной гиалуроновой кислотой и метакрилированным желатином после фотополимеризации, что улучшает стабильность полимерной сети и затрудняет разрушение матрикса в ферментативной среде. Сочетание метакрилированной гиалуроновой кислоты с молекулярной массой 2000 кДа, метакрилированного желатина и сшивающего агента на основе акрилоксипропилсилантриола позволяет получать фотополимеризуемые матриксы, устойчивые к ферментативной деградации в присутствии гиалуронидазы при 37ºС в течение 30 дней, при которой потеря массы материала не превышает 4%. Тогда как в отсутствии сшивающего агента указанные матриксы деградируют на 58% за тот же период времени [20]. Гидролитическая деградация фотополимеризуемого гибридного матрикса на основе метакрилированной гиалуроновой кислоты, PEG-DA и биорезорбируемого поли(D,L-лактид-ко-гликолида) в фосфатно-буферном растворе при 37ºС проходит в два этапа [21]. В течение первых 24 ч матрикс теряет в массе 10%. Далее скорость деградации снижается, и в течение следующих 9 дней оставшаяся масса составляет 78% от первоначального веса. Тиолированная гиалуроновая кислота, химически модифицированная PEG-DA, проявляет устойчивость к гидролитической деградации в течение 64 дней без потери массы и формы [22]. По мнению авторов, такая гидролитическая стабильность, нетипичная для аналогичных гидрогелиевых систем, объясняется образованием тиоэфирной связи в результате реакции присоединения акрилатных групп PEG-DA с тиоловыми группами гиалуроновой кислоты [22]. Выявленное свойство может быть использовано в терапии для долгосрочного высвобождения инкапсулированных лекарств или клеток. Низкомолекулярные добавки также оказывают существенное влияние на кинетику деградации. При ферментативной деградации фотополимеризуемый матрикс на основе метакрилированной гиалуроновой кислоты с молекулярной массой 100 кДа деградировал полностью в присутствии гиалуронидазы по истечении 5 дней. Однако добавление к его составу 10–15% масс. гиалуроновой кислоты, модифицированной галловой кислотой, приводило к увеличению срока деградации до 7 дней [23]. Таким образом, регуляция биодеградации материалов возможна за счет использования гиалуроновой кислоты с различной молекулярной массой. Однако химическая модификация полимерной структуры матриксов на основе гиалуроновой кислоты синтетическими сшивающими агентами позволяет добиться создания композиций с более длительным периодом резорбции. Условия модификации рассмотренных в обзоре имплантируемых материалов и составы гидролитических и ферментативных сред приведены в таблице 1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Анализ литературных данных показал, что скорость деградации исследуемых исходных материалов практически всегда избыточно высокая, за исключением гиалуроновой кислоты большой молекулярной массы. В связи с этим применяют несколько основных подходов к замедлению скорости деградации материалов: прежде всего изменяют химическую структуру исходных полимеров, а также физически комбинируют с другими полимерами и низкомолекулярными модификаторами. Самым распространённым методом изменения скорости деградации является модификации исходного полимера коллагена или гиалуроновой кислоты с их последующей межмолекулярной сшивкой за счёт добавления олигомерных и полимерных модифицирующих добавок таких как, карбодиимид полиэтиленгликоль-тетратиол, полиэтиленгликоль-диакрилат. В процессе химической сшивки происходит типичный для таких систем процесс формо- и структурообразования, что влечёт переход от вязко-текучего состояния к состоянию упругого геля. Увеличение плотности сшивки можно регулировать концентрацией исходных реагентов для снижения скорости деградации. Такой подход значительно упрощает процесс создания материала, объединяя этапы его формирования и программирования свойств в одну стадию и предоставляет достаточно возможностей для формирования требуемой кинетики деградации имплантируемых биорезорбируемых материалов на основе гиалуроновой кислоты и коллагена. СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей или с использованием животных в качестве объектов исследования ФИНАНСИРОВАНИЕ Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства Здравоохранения Российской Федерации (тема № 1023021300027-9-3.2.14 Фотоотверждаемый биополимерный материал для регенерации пародонта и периимплантных тканей (WLGC-2024-0001). КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. ЛИТЕРАТУРА
|
