Синтетические каркасы для костной тканевой инженерии: разлагаемые полимеры

Каркасные структуры для костной тканевой инженерии созданы, чтобы действовать в качестве искусственных матриц, которые могут временно выполнять основные функции внеклеточного матрикса в кости. В частности, эти каркасные структуры призваны действовать как поддержка для тканей, окружающих кость, скрепление для клеток, заполняющих кость, платформа для доставки матричных индуктивных молекул, доставляющий механизм для трансплантируемых клеток и устройство для контролируемого высвобождения биологически активных молекул.

В тканевой инженерии для каркасных структур также очень важен и временной аспект. Каркасы тканевой инженерии должны быть созданы таким образом, чтобы их распад до биологически совместимых продуктов происходил по мере восстановления кости и в конечном итоге продукты их деградации покидали восстановленную или регенерированную ткань кости.

Синтетические полимеры

Как ни удивительно, но некоторые полимеры были исследованы на предмет применения их в каркасных структурах костной тканевой инженерии (в Таблице 1 см. описание некоторых таких полимеров). Большинство из представленных в таблице разлагаемых полимерных гелей на основе сложноэфирной основной цепи полимера, например, поли(L- молочная кислота) (PLA), поли(гликолевая кислота) (PGA), поли(D,L-молочная кислота-со- гликолевая кислота) (PLGA), поли(капролактон) и поли(пропилен фумаровокислый). Разрешение использования PLGA для особых клинических нужд Управлением по надзору за продуктами и лекарствами, скорее всего, привело к множеству исследований с применением этих полимеров. Более того, полиэфиры широко исследовались, потому что эфиры вступают в реакцию с водой, а следовательно воду можно постепенно добавлять к полиэфиру, чтобы добиться его разрушения или разложения. Гидролиз эфира – это основной механизм, с помощью которого разлагаются полимеры при исследованиях для применения в тканевой инженерии. Гидрофобность большинства полиэфиров, демонстрируемая их ограниченно смачиваемой поверхностью, допускает поглощение белков и адгезию клеток.

Следовательно эти материалы отлично подходят в качестве каркасных структур для трансплантации клеток, когда клетки размещаются на поверхности такого каркаса. Однако, гидрофобность многих из этих полимеров препятствует вхождению клеток внутрь полиэфира.

Название	Структурная единица	Метод консервирования	Пути разложения	Продукты разложения	Вид разложения
PLLA поли (L-молочная кислота)		переплетение	гидролиз эфира	молочная кислота	объемный
PGA поли (гликолевая кислота)		переплетение	гидролиз эфира	гликолевая кислота	объемный
PLGA поли (D,L- молочная кисла – со- гликолевая кислота)		переплетение	гидролиз эфира	молочная и гликолевая кислоты	объемный
P(CL) поли (капролактон)		переплетение	гидролиз эфира	капроновая кислота	объемный/ поверхностный
PPF поли (пропилен фумарат)		связывание	гидролиз эфира	фумаровая кислота и пропилен гликоль	объемный/ поверхностный
P(MSA) поли (метакриловый себациновый ангидрид)		связывание	гидролиз ангидрида	себациновая кислота	поверхностный
P(MCPH) поли (метакриловый 1,6-бис (карбоксифенокси) гексан)		связывание	гидролиз ангидрида	1,6-бис (карбоксифенокси)  гексановая кислота	поверхностный
P(DTR карбонат) тирозино- производный поликарбонат		переплетение	гидролиз эфира и карбоната	алкиловый спирт и дезаминоирозил-тирозин	объемный

Таблица 1. Разлагаемые синтетические полимеры в настоящее время исследуются в качестве каркасного материала для применения в костной тканевой инженерии.

В то время как полиэфиры активно изучаются и производятся значительные открытия в области их применения в качестве каркасного материала для тканевой инженерии, основная проблема, связанная с их использованием – это их распад в организме. Продукты разложения полиэфиров – кислоты и спирты. Эта кислотность участвует как в катализе дальнейшего разложения каркаса, так и в появлении определенного воспалительного процесса, ведущего к подавлению образования тканей. Несмотря на то, что совершенствуются способы преодоления этого ограничения, такие как включение буферных веществ в состав каркасного материала, будущее клинического использования полиэфиров для тканевой инженерии остается неясным. Есть ирония в том, что преимущество полиэфиров, которое привело к их широким исследованиям, также является их главнейшим недостатком.

Остальные разлагаемые полимеры также исследовались на предмет использования в тканевой инженерии. Полиангидриды, такие как поли(метакриловый себациновый ангидрид) и поли(метакриловый 1,6-бис (карбоксифенокси) гексан) проявили обладание механизмом поверхностного разложения, что могло бы подойти для применения в костной тканевой инженерии. Однако, полиангидриды также образуют кислотные продукты разложения, и поэтому их применение может быть связано с некоторыми ограничениями. Поликарбонаты, и особенно тирозино-производные поликарбонаты, широко изучались на предмет применения в костной тканевой инженерии. Эти полимеры, иногда описываемые как псевдо-поли(аминокислоты) из-за их структурной единицы, основанной на аминокислоте тирозине, проявили себя как биологически совместимые и неиммуногенные. Более того, изменения в структуре побочной цепи структурной единицы позволяют задавать параметры динамики разложения для конкретного применения.

Наиболее широко исследуемым полимером для производства гидрогелей является поли(этилен гликоль) (PEG), неразлагающийся полимер. PEG является высоко гидрофильным веществом, и его гидрофильность часто упоминается как свойство, ответственное за его биосовместимость. Структурная единица PEG (-CH2CH2O-) в целом не является реакционно-способной, поэтому любая функциональность этого полимера должна прибавляться к основной цепи полимера. Например, гидрогели PEG часто получают из акрилатных PEG, таких как поли(этилен гликоль) диакрилат, где конечные акрилатные группы (H2C=CHCOO-R) вступают в реакцию друг с другом, чтобы образовать большую полимерную сетку. Кроме того, хотя PEG сам по себе не разлагаем, можно сделать его гидролитически или ферментно разлагаемым путем введения функциональных групп внутрь основной цепи полимера. Протеолитически разлагаемые гидрогели PEG могут быть образованы из акрилатных PEG с подвижными группами протеазы, таких как коллагеназо- или эластиназо-реагирующие пептидные последовательности, диспергированные через всю полимерную цепь PEG.


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