Пористость каркаса для костной тканевой инженерии

В преддверии обсуждения пористости каркаса необходимо пояснить, что существует два уровня пористости среди пористых полимерных каркасов. Твердые полимерные материалы имеют пористость (часто называемую «микропористость»), которая характеризуется объемами, не занятыми отдельными полимерными цепями. Параметры этой пористости находятся обычно на шкале между нанометрами и микрометрами. Например, у гидрогелей этот объем определяется полимерными цепями, и он заполнен водой.

Для применения в тканевой инженерии микропористая структура имеет интерес только в гидрогелях, в отличие от традиционных полимерных гелей, так как водные среды гидрогелей допускают миграцию клеток и диффузию белков. В добавление к микропористости, полимерные гели могут обладать пористостью с размерами по шкале между микрометрами и миллиметрами, сравнимой с пористостью обычной губки. Чтобы отделить по размерам эту пористость от микропористости, ее можно называть макропористостью, но чаще ее называют просто пористостью, и именно она является предметом дальнейшего обсуждения.

Информация о пористой структуре каркаса в тканевой инженерии может касаться нескольких разных параметров, среди которых наиболее примечательным является пористый объем (объем свободного пространства, предоставляемого каркасом), скелетный объем (объем материала, содержащегося в каркасе), пористость (процент объема пор относительно общего объема), размер поры (средний размер пор) и площадь поверхности (площадь поверхности каркаса).

Пористость каркаса обычно измеряется техникой внедрения или поглощения, а чаще всего – ртутной порометрией. В этом способе измерения объем пор каркаса в вакууме заполняется ртутью с помощью применения азота под давлением. (Причем необходимость помещения каркаса в вакуум часто влечет за собой практические проблемы с некоторыми каркасами, такими как макропористые гидрогели). Общий объем ртути, введенной в каркас, определяет пористый объем каркаса; зная массу каркаса и плотность материала, можно затем вычислить пористость. Более того, введенный объем как функция давления может дать информацию о размере поры и площади поверхности, хотя возможность применения предположений, лежащих в основе этих теорий, к пористой структуре, описанной здесь, должна рассматриваться с осторожностью.

Успехи в развитии средств воспроизведения изображений предоставили альтернативные методы определения пористости каркаса. Микро-томоденситография (μСТ) позволяет создать трехмерное изображение каркаса целиком, с помощью которого можно определить не только пористость, но и скелетный объем, пористый объем и площадь поверхности. Несмотря на то, что изображения каркасов часто бывают замечательными, денежные и временные затраты на μСТ в настоящее время мешают ее широкому использованию. В качестве альтернативы для определения пористости может быть использован визуальный анализ.

Так, сначала получают тонкий срез каркаса, обычно с помощью гистологических технологий. Используя оборудование для анализа изображений, двухмерная площадь пустой поры сравнивается с общей площадью для определения пористости. Этот способ особенно полезен для изучения каркасов, имплантированных в животные модели и впоследствии подготовленных для гистологического анализа. Преимущество порометрии перед визуальными методами, однако, в том, что, физически заполняя поры каркаса, можно измерить только те поры, которые связаны напрямую свободным пространством с поверхностью, и это помогает определить взаимосвязанность пор, что труднее сделать визуальными методами.

Правильная пористость и размер поры для каркасов костной тканевой инженерии остаются невыясненными. Проводилось несколько исследований, пытавшихся выяснить правильный размер поры для каркаса тканевой инженерии, их результаты показали, что поры в пределах от 80 до 500 μm подходят для использования. Например, модель дефекта кроличьего черепа – одно исследование показало, что пористость каркаса (в пределах от 57 % до 75 %) и размер поры (300 – 500 или 600 – 800 μm) имеет небольшое влияние на реакцию тканей и формирование кости. В то время другое исследование показало, что пора меньше или равная 350 μm производила наибольшее врастание кости. Наконец, появилось предположение, что сгустки крови могут вызывать недостатки в процессе формирования кости и, более того, что способность материала удерживать сгусток крови может быть важнейшей для стратегии тканевой инженерии.


J.P. Fisher and A.H. Reddi, Functional Tissue Engineering of Bone: Signals and Scaffolds
Перевод Борисовой Марины