Биоимплантат с многофункциональным биоактивным наноструктурированным покрытием
Владельцы патента RU 2482882:
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российский онкологический научный центр имени Н.Н. Блохина" Российской академии медицинских наук (ФГБУ "РОНЦ им. Н.Н. Блохина" РАМН) (RU)
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (НИТУ "МИСиС") (RU)
Изобретение относится к медицине и ветеринарии, предназначено для применения в трансплантологии, травматологии, хирургии и онкологии и может быть использовано для замещения костных дефектов. Описан биоимплантат, который представляет собой донорскую кость, деиммунизированную с помощью хлорсодержащих окислителей, на поверхность которой наносят многофункциональное биоактивное наноструктурированное покрытие (МБНП) на основе элементов M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда, включающего Si, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, и колонизированную мезенхимальными стволовыми клетками (МСК) реципиента. Биоимплантат с МБНП соответствует анатомо-морфологическим особенностям замещаемой кости, обеспечивает адгезию клеток, отсутствие реакции отторжения трансплантата, ускоренное формирование соединительной ткани и костной мозоли. 8 ил., 1 пр.
Изобретение относится к медицине и ветеринарии, предназначено для применения в трансплантологии, травматологии, хирургии и онкологии и может быть использовано для замещения костных дефектов.
Известен имплантат, основой которого является титан и его сплавы (никелида титан, титан-тантал-ниобий, титан-кобальд) с нанесенным на него биосовместимым кальций-фосфатным покрытием, обеспечивающим адгезию клеток (патент РФ №2385740). Недостатком такого имплантата является опасность повреждения в зонах крепления к кости из-за различной плотности соприкасающихся поверхностей.
Наиболее близким к заявляемому изобретению (прототипом) является гибридный биоимплантат, выполненный в виде пористой мембраны из политетрафторэтилена с наноструктурированным многофункциональным биосовместимым нерезорбируемым покрытием, на основе элементов M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда, включающего Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, на поверхности которого пассированы аутогенные или аллогенные стромальные клетки, выделенные из жировой ткани или костного мозга (патент РФ №2416434).
Недостатки прототипа: 1) синтетическая основа имплантата не имеет анатомических особенностей, свойственных кости; 2) имплантат колонизируют клетками, коммитированными до стадии преостеобластов (клеток-предшественников костной ткани), не способными сформировать фиксирующую соединительнотканную капсулу и капиллярную сеть для реваскуляризации зоны имплантации; 3) в случае повреждения МБНП политетрафторэтилен не способен обеспечить адгезию клеток на своей поверхности, что ведет к ухудшению функциональных характеристик биоимплантата и развитию местной воспалительной реакции.
Задачей изобретения является создание биоимплантата с многофункциональным биоактивным наноструктурированным покрытием (МБНП), не приводящего к развитию реакции отторжения реципиента, обеспечивающего быструю фиксацию и репарацию тканью реципиента.
Задача решается тем, что в качестве основы биоимплантата используют донорскую кость, деиммунизированную с помощью хлорсодержащих окислителей с МБНП, на основе элементов M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда, включающего Si, Ti, Zr, Hf, Nb, Та, и колонизированную мезенхимальными стволовыми клетками (МСК) реципиента.
Заявляемый биоимплантат с МБНП получали следующим образом. Мононуклеарные клетки выделяли на градиенте фиколл-урографин (плотность 1,077) центрифугированием при 900g из костного мозга реципиента. Затем клетки дважды отмывали от фиколла, центрифугируя в среде RPMI-1640 при 600 g. Суспензию клеток (концентрация 5-9х106 клеток в 1 мл) культивировали в среде RPMI-1640, содержащей 10% фетальной телячьей сыворотки, L-глутамина 2 мМ, пенициллина G 100 МЕ/мл, стрептомицина 100 мкг/мл, в пластиковых культуральных флаконах при t=37°C и 5% CO2 в течение 2-3 пассажей. МБНП на основе элементов M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда, включающего Si, Ti, Zr, Hf, Nb, на костную основу наносили способом, описанным в статье D.V.Shtansky; I.V.Batenina; I.A.Yadroitsev; N.S.Ryashin; Ph.V.Kiryukhantsev-Korneev; A.E.Kudryashov; A.N.Sheveyko; I.Y.Zhitnyak; N.A.Gloushankova; I.Y.Smurov; E.A.Levashov «A new combined approach to metal-ceramic implants with controllable surface topography, chemistry, blind porosity, and wettability». Surface & Coatings Technology, Volume 208, Issue (September 15, 2012), p.14-23. На МБНП костной основы, деиммунизированной с помощью хлорсодержащих окислителей, пассировали суспензию МСК, морфологически характеризующихся как фибробластоподобные колониеобразующие клетки с уровнем экспрессии CD271 не ниже 70%, в количестве 500-1000 клеток на 1 см3 для эффективного колониеобразования. Полученный образец инкубировали при t=37°C и 5% CO2 в среде экспансии, содержащей RPMI-1640 и MACS NH Expansion Medium (Milteny Biotec) в соотношении 1:1,10% фетальную телячью сыворотку, L-глутамин 2 мМ, пенициллин G 100 МЕ/мл, стрептомицин 100 мкг/мл до формирования клеточного монослоя.
Изобретение иллюстрируется фигурами 1-8.
Фиг.1. Биоимплантат с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N (фрагмент лучевой кости собаки).
Фиг.2. МБНП биоимплантата, содержащее Ti-Ca-C-O-N, колонизированное МСК реципиента. Ув. 400.
Фиг.3. Биоимплантат с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N, с отодвинутой фиброзной капсулой через 3 месяца после гетеротопной трансплантации собаке.
Фиг.4. Поверхностный слой биоимплантата с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N, и соединительнотканная капсула через 3 месяца после гетеротопной трансплантации собаке. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. 900.
Фиг.5. Межклеточное компактное костное вещество основы биоимплантата с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N, через 3 месяца после гетеротопной трансплантации собаке. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. 900.
Фиг.6. Соединительнотканная капсула на поверхности биоимплантата с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N, сформированная через 3 месяца после гетеротопной трансплантации. Поперечный срез. Ув.80.
Фиг.7. Формирование сосудистой сети в соединительнотканной капсуле биоимплантата с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N, через 3 месяца после гетеротопной трансплантации. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. 900.
Фиг.8. Прорастание сосудов в костно-мозговой канал биоимплантата и колонизация клетками реципиента. Поперечный срез. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. 200.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Проведена гетеротопная трансплантация собаке биоимплантата из диафизарного отдела лучевой кости длиной 2,8 см и диаметром 1,2 см. На поверхность кости, деиммунизированной с помощью хлорсодержащих окислителей, с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N, пассировали суспензию МСК с концентрацией CD271+ клеток - 73,5% (Фиг.1). Полученный образец помещали в среду RPMI-1640, содержащую 10% фетальной телячьей сыворотки, L-глутамина 2 мМ, пенициллина G 100 МЕ/мл, стрептомицина 100 мкг/мл на 4 суток до образования на поверхности клеточного монослоя (Фиг.2). Подготовленный биоимплантат с МБНП имплантировали в паховую складку здоровой беспородной собаки (возраст 3,5 года). Послеоперационный период протекал гладко. Через 3 месяца биоимплантат был извлечен и подвергнут патолого-анатомическому исследованию, при котором не выявлено структурных изменений биоимплантата, МБНП на поверхности кости сохранено (Фиг.1, 3). Скоплений иммунокомпетентных клеток в тканях, прилегающих к поверхности имплантата, не обнаружено. Признаков разрушения структуры межклеточного компактного костного вещества не выявлено (Фиг.4, 5). На поверхности биоимплантата сформирована соединительнотканная капсула, в которой образовалось большое количество замкнутых контуров, выстланных эндотелием (Фиг.6, 7). На срезах костно-мозгового канала обнаружены признаки реколонизации имплантата клетками реципиента с формированием кровеносных сосудов (Фиг.8).
При использовании в МБНП циркония и других металлов, указанных в формуле, были получены результаты, близкие к титану.
Технический результат
Биоимплантат с МБНП, содержащем элементы M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда, включающего Si, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, основу которого представляет деиммунизированная донорская кость, соответствующая анатомо-морфологическим особенностям замещаемой кости, обеспечивает адгезию клеток, отсутствие реакции отторжения трансплантата, ускоренное формирование соединительной ткани и костной мозоли.
Биоимплантат с многофункциональным биоактивным наноструктурированным покрытием на основе элементов M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда, включающего Si, Ti, Zr, Hf, Nb, отличающийся тем, что его основа представляет собой донорскую кость, анатомически соответствующую замещаемой, деиммунизированную с помощью хлорсодержащих окислителей, колонизированную мезенхимальными стволовыми клетками реципиента.
