Biomedyczne zastosowanie wybranych materiałów polimerowych

Od wielu lat projektowanie i wytwarzanie nowych materiałów polimerowych przeznaczonych do zastosowań biomedycznych stanowi bardzo popularny kierunek badań. Zastosowania te coraz częściej dotyczą materiałów implantacyjnych ze szczególnym uwzględnieniem chirurgii. Do takich materiałów zaliczyć można zarówno polimery syntetyczne, jak również biopolimery. Z tym zagadnieniem wiążą się badania dotyczące właściwości powierzchniowych oraz biologicznych otrzymywanych materiałów, jak również odpowiednia czyli „celowana” adhezja komórek. Najnowocześniejsze prace dotyczą oceny zachowania się komórek na powierzchni materiałów, co pomaga w ustaleniu odpowiedzi komórki i umożliwia kształtowanie powierzchni materiału w kierunku stymulacji zachowania tkanek a zatem otrzymywania implantów o ściśle określonych właściwościach (smart materials). Inżynieria tkankowa proponuje nowe alternatywne rozwiązania zmieniające sposób podejścia do leczenia przy pomocy przeszczepów oraz ubytków narządów czy tkanek. Kluczową rolę odgrywają tu materiały polimerowe służące do mechanicznego wparcia dla tkanek i narządów a głównym zastosowaniem jest uzyskiwanie funkcjonalnego materiału biologicznego, który będzie w stanie zastąpić lub zregenerować uszkodzoną tkankę w organizmie i przywrócić jej funkcję. Materiały te powinny charakteryzować się zatem architekturą przypominającą tkankę naturalną wraz z jej właściwościami mechanicznymi. Należy również podkreślić fakt, iż obecnie inżynieria tkankowa stanowi jedną z ważniejszych terapii w medycynie. Przy zastosowaniu inżynierii tkankowej pomijany jest problem związany z przeszczepami organów dotyczący niewystarczającej liczby dawców czy stosowania leków immunosupresyjnych, nie wymaga ona również zastosowania sztucznych protez, które charakteryzują się niską biozgodnością.

Właściwości materiałów stosowanych w inżynierii tkankowej

Postęp w dziedzinie inżynierii biomedycznej i medycyny regeneracyjnej wymaga poszukiwania nowych biomateriałów, które w znaczący sposób przyspieszą regenerację uszkodzonych tkanek. W terminologii medycznej biomateriał został zdefiniowany jako: każda substancja inna niż lek, albo kombinacja substancji naturalnych lub syntetycznych (w tym polimery i metale), która może być użyta w dowolnym okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek, narządu, albo jego części lub spełnienie ich funkcji.

Keratyna

W ciągu ostatniej dekady biomateriały pochodzenia naturalnego (m.in. kolagen, chitozan, kwas hialuronowy, fibroina i keratyna) zyskały wiele uwagi ze względu na możliwość zastosowania ich w dziedzinie nauk biomedycznych i biotechnologicznych, a w szczególności dla potrzeb inżynierii tkankowej i do wyrobu implantów medycznych. W tym kontekście biomateriały na bazie keratyny (włosy ludzkie, wełna), stały się obiecującym kandydatem ze względu na ich dostępność, biozgodność i biodegradowalność. Biomateriały te sprzyjają adhezji i proliferacji komórek, nie wywołują reakcji zapalnej po implantacji (biokompatybilność). Stwierdzono, że różne typy keratyn mogą zawierać w sekwencji aminokwasowej peptydy adhezyjne. Obecność tych sekwencji umożliwia interakcje pomiędzy komórką a powierzchnią biomateriału oraz uruchamia ścieżki sygnałowe zapoczątkowujące regenerację tkanek.

Jak już wspominano, keratyna może być pozyskiwana z włosów, wełny czy kopyt lub rogów. Metody izolacji opierają się głównie na metodach redukcyjnych, oksydacyjnych i sulfitolizie wiązań dwusiarczkowych. Metody te są wieloetapowe i wymagają zastosowania rozpuszczalników organicznych. W 2008 roku opatentowano metodę otrzymywania mikromateriału białek towarzyszących keratynie (keratin-associated proteins, KAP).
Jest ona oparta jest na połączeniu chemicznej aktywacji i enzymatycznego trawienia naturalnie dostępnych substratów (włosy, sierść, wełna) i może stanowić alternatywę dla obecnie stosowanych metod.
Biomateriały na bazie keratyny wyizolowanej z włosów ludzkich lub wełny, stosowane są w postaci rusztowań (skafoldów), filmów lub hydrożeli (Rys. 1). W zależności od formy znalazły zastosowanie m.in.: jako opatrunki, środki hemostatyczne, a także są stosowane w regeneracji nerwów obwodowych i kości. Znalazły także zastosowanie w hodowlach komórkowych, w regeneracji mięśnia sercowego, rogówki czy jako nośniki leków.
Jednym z intensywnie badanych obszarów w których wykorzystywane są biomateriały na bazie keratyny jest neurologia eksperymentalna, gdzie keratynowe preparaty wyizolowane z włosów ludzkich zastosowano w regeneracji nerwów in vivo.

Przeprowadzone badania przeprowadzone pokazały, że keratynowe hydrożele stymulowały komórki nerwowe do regeneracji w mysim modelu uszkodzenia nerwu piszczelowego (tibial nerve injury mouse model). W przeprowadzonych badaniach in vitro wykazano, że keratyna wyizolowana z włosów ludzkich zwiększa aktywność komórek Schwanna (obserwowano wzrost proliferacji w stosunku do kontroli). U komórek potraktowanych hydrożelem obserwowano wzrost ekspresji genów niezbędnych dla ważnych funkcji neuronów. Przeprowadzone badania in vivo wykazały, że wypełnienie kanału nerwowego keratynowym hydrożelem, który posłużył jako tymczasowa matryca uczestnicząca w regeneracji aksonów, znacząco poprawiało funkcję uszkodzonego nerwu (w porównaniu do kontroli). Badano też wpływ keratynowego hydrożelu na regenerację rdzenia kręgowego u szczurów na skutek połowiczego uszkodzenia rdzenia kręgowego. Zaobserwowano, że szczury z grupy której podano keratynowy hydrożel szybciej odzyskiwały sprawność ruchową w porównaniu do grypy kontrolnej, której podawano sól fizjologiczną. Badania histopatologiczne bioptatów wykazały, że w grupie leczonej keratynowym hydrożelem blizna glejowa była znacznie mniejsza w porównaniu do kontroli. Co więcej, po upływie 6 tygodni od wystąpienia urazu, w grupie szczurów u których rdzeń potraktowano hydrożelem wykazywał podobieństwo anatomiczne do nieuszkodzonego rdzenia.

Biomateriały na bazie keratyny oprócz zastosowania w regeneracji nerwów są coraz stosowane jako opatrunki zarówno w modelach zwierzęcych jak i u ludzi. Zastosowane opatrunki cechują się niewielką immunogennością, przyspieszają proces gojenia. W 2013 roku na rynku pojawiły się opatrunki na bazie białek keratynowych (Keraplast Technologies) wyizolowanych z wełny nowozelandzkich owiec. Opatrunki te zostały dopuszczone do użytku w USA, Unii Europejskiej, Australii i Nowej Zelandii.

Opatrunki keratynowe występują w różnych formach:
- Keratynowe maści lub żele – stosowane w leczeniu ran „suchych”.
- Opatrunki strukturalne – przeznaczone do opatrywania ran charakteryzujących się niewielkim wysiękiem. Takie opatrunki wchłaniają się w trakcie leczenia.
- Opatrunki wielowarstwowe – stosowane w leczeniu ran ze znaczną ilością wysięku.
Zbadano wpływ komercyjnie dostępnych preparatów keratynowych (Keramatrix^®, Keragel^TM) u 31 pacjentów z 45 ranami o różnej etiologii. Zaobserwowano całkowite wygojenie 29 z 45 (64%) ran opatrzonych keratynowym opatrunkiem. W przypadku 8 (18%) ran doszło do zmniejszenia powierzchni rany o ponad 50%. Z przeprowadzonego badania wynika, że keratynowe preparaty przynoszą zadowalający efekt leczenia, a także mogą być stosowane w leczeniu ran o zróżnicowanej etiologii. Zaobserwowano również, że rany oparzeniowe opatrzone keratynowym żelem goiły się szybciej przy minimalnym bliznowaceniu. Zastosowany opatrunek tolerowany był dobrze przez pacjentów (minimalne odczucie bólu i świądu związanego ze stosowaniem żelu), co pozwoliło im na szybki powrót do normalnego funkcjonowania.

Polikwas mlekowy (PLA)

Polikwas mlekowy (PLA) i jego optycznie czynne formy są od dawna wykorzystywane dla celów biomedycznych, tj. produkcji implantów dentystycznych i resorbowalnych nici chirurgicznych. Polikwas mlekowy należy do bioresorbowalnych materiałów, które degradują zarówno in vitro jak i in vivo i są wykorzystywane jako wsparcie w regeneracji uszkodzonych tkanek. Jest on również bardzo dobrze biokompatybilnym polimerem a jego produkty degradacji są usuwane a ciała pacjenta na normalnej drodze metabolicznej.

W 1994 roku wykorzystano wzmocnione płytki polilaktydu (SR-PLLA) przy czternastu operacjach twarzoczaszki. Przycięte do odpowiedniego kształtu arkusze polimeru wymieszano z tytanowymi śrubami bądź z resorbowalnymi szwami i zastosowano je zamiast płytek tytanowych. Przy zastosowaniu tego typu implantów nie zaobserwowano żadnych medycznych powikłań. Materiał ten był całkowicie biodegradowalny i hydrolizował w ciele pacjenta do kwasu mlekowego z późniejszym metabolizmem do dwutlenku węgla i wody.

Stosowane do tej pory metaliczne implanty były zagrożeniem dla mózgu pacjenta, zatem wysoce uzasadnione jest poszukiwanie materiałów biodegradowalnych. W literaturze można odszukać wykorzystanie biodegradowalnych rurek, płytek, śrub na bazie PLA, powstałych z wykorzystaniem techniki odpowiedniego wzmacniania tych materiałów. Są one wówczas wystarczająco silne do wzmacniania kości gąbczastej przy złamaniach kości. W badaniach tych operacji poddano czternastu pacjentów (dzieci w wieku 6 – mcy do 9 lat). W szpitalu pozostawali średnio 12 dni, w tym czasie nie zaobserwowano żadnych infekcji i komplikacji.
Na Rys.2. przedstawiono zdjęcia implantów z polilaktydu wykonane podczas operacji.

Płaty SR-PLLA mogą być również stosowane jako ochrona dla mózgu podczas gojenia się kości w wypadku, gdy niewielkie ubytki kostne są nadal otwarte. Użyty w tym przypadku polilaktyd w ciele jest hydrolizowany a jego metabolity nie są toksyczne. Zaletą tego materiału jest również fakt, iż może on być uformowany do nowego kształtu po odpowiednim ogrzaniu i schłodzeniu. Płytki te mogą byś również zgięte i wyprofilowane poprzez ogrzewanie ich w gorącej wodzie lub w gorącym powietrzu. Sam polilaktyd nie jest dość silny do wiązania kości, jednakże po zastosowanej procedurze wzmacniania jego właściwości mechaniczne znacznie wzrastają. Dzięki takiemu wzmocnieniu materiału uzyskuje się następujące zalety:
- nie ma konieczności kolejnej wizyty szpitalnej (nie wymaga usunięcia),
- zastosowanie materiałów biodegradowalnych jest preferowane dla dzieci,
- brak interferencji z badaniami CT i MRI.

W 2012 roku naukowcy z Włoch wytworzyli cylindryczne rusztowania (skafoldy) bazujące na PLLA/PLA. Wykorzystali w tym celu dwa różne stosunki stężeniowe obu polimerów w celu poprawienia krystaliczności i stopnia biodegradacji rusztowań, jak również zmierzyli grubość filmu polimeru. Na wytworzonym materiale hodowano następnie komórki śródbłonka – wysoce wyspecjalizowanej wyściółki naczyń krwionośnych i limfatycznych. Jak się okazuje wpływają one bezpośrednio na regulację ciśnienia tętniczego i ukrwienie tkanek, krzepnięcie krwi, miażdżycę, reakcje zapalne i powstawanie obrzęków oraz wpływają na migrację leukocytów z i do tkanek. Szczególną rolę w filtracji odgrywa śródbłonek w narządach takich jak nerki i mózg (bariera mózg - krew). Dowiedziono, iż hodowane na materiale polimerowych komórki śródbłonka wykazują dobrą adhezję oraz proliferację z utworzeniem jednolitej warstwy, komórki nie wykazywały cytotoksyczności. Otrzymany materiał może stanowić bardzo interesujące narzędzie w inżynierii tkanek naczyń krwionośnych.

Kolejnym przykładem jest wykorzystanie bioresorbowalnych implantów polilaktydowych w chirurgii ortopedycznej. Kluczowym elementem leczenia pacjenta ze zdiagnozowaną torbielą samotną kości jest wypełnienie ubytku struktury z możliwym odtworzeniem jej funkcji. Naukowcy z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH przedstawili przypadek medyczny świadczący o dużej wartości polilaktydu w ortopedii. Zastosowany bioimplant zbudowany jest z polimeru bioresorbowalnego należącego do rodziny polihydroksykwasów. W wyniku zastosowanego leczenia uzyskano w obserwacji półrocznej naukowcy zaobserwowali zmniejszenie ubytku kostnego a zastosowany bioimplant spełnił rolę dobrego substytutu kości wspomagając proces przebudowy ubytku kostnego. Dodatkową korzyścią jest fakt, iż implantując gąbkę polilaktydową, nie ma konieczności narażania pacjenta na dodatkowy uraz związany z pobraniem autogennego przeszczepu.

Podsumowanie

W niniejszym artykule przedstawiono wybrane przykłady biomedycznych zastosowań biodegradowalnych opatrunków na bazie keratyny i polimerów polilaktydowych. Wskazują one jednoznacznie na możliwość leczenia wielu poważnych schorzeń. Największy postęp dotyczy obecnie modyfikacji powierzchni i właściwości chemicznych materiałów polimerowych oraz implanty zawierające czynniki wzrostu charakterystyczne dla danej tkanki (schorzenia) uwalniane w odpowiedniej dawce. Kluczową rolę będą odgrywały w obecnych czasach w pełni zautomatyzowane bioreaktory i mikrochipy o ściśle zdefiniowanej funkcji spełniającej wszystkie wymogi związane ze środowiskiem reakcji (określone warunki) oraz nieinwazyjne metody monitorowania zmian powierzchniowych i strukturalnych biomateriałów wraz z kontrolą żywotności komórek.

dr hab. Ewa Kłodzińska - prof. nadzwyczajny, Instytut Sportu
dr Marek Konop - Katedra i Klinika Dermatologiczna WUM