Биосовместимый наноматериал для лазерного восстановления целостности рассеченных биологических тканей
Владельцы патента RU 2657611:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (RU)
Изобретение относится к области лазерной медицины и, конкретно, к восстановительной хирургии. Описан биосовместимый наноматериал для лазерного восстановления целостности рассеченных биологических тканей, содержащий водную дисперсионную основу белка альбумина, углеродные нанотрубки и медицинский краситель - индоцианин, отличающийся тем, что в качестве углеродных нанотрубок используют многослойные углеродные нанотрубки и дополнительно содержит бычий белок коллагена при следующем соотношении компонентов, мас.%: альбумин от 15 до 20, многослойные углеродные нанотрубки от 0,02 до 0,2, медицинский краситель - индоцианин от 0,005 до 0,01, бычий белок коллагена в концентрации от 0,3 до 3, дистиллированная вода - остальное. Наноматериал для лазерной сварки имеет высокую эффективность, достигнутую благодаря высокой прочности на разрыв лазерного шва, длительный срок хранения и низкую себестоимость. 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области лазерной медицины и, конкретно, к восстановительной хирургии. Изобретение предназначено для лазерного восстановления целостности рассеченных биологических тканей, то есть для лазерной сварки.
Существующие традиционные способы восстановления целостности ткани с использованием шовных материалов, сшивающих аппаратов, скобных соединений, клеевых композиций и других средств имеют ряд недостатков [1]. Например, низкая прочность и негерметичность места соединения (шва).
Новым направлением восстановления целостности ткани является лазерная сварка. При этом используются специальные биосовместимые материалы - биоприпои, и лазерное излучение. Посредством лазерной сварки образуется прочное соединение частей биологических тканей, то есть создается так называемый лазерный шов (ЛШ). Лазерная сварка биологических тканей обладает потенциальными преимуществами в хирургии: герметичность соединения, быстрое заживление ран, малое время операционного вмешательства, малая реакция на инородные тела, низкий риск возникновения аневризма при операциях на артериях, пониженная вероятность появления фиброза или его полное отсутствие, очень малая вероятность развития стеноза.
Одним из основных и важных элементов лазерной сварки является биоприпой. В качестве биоприпоя часто используется водная дисперсия из бычьего сывороточного альбумина (БСА). В процессе лазерной сварки жидкая форма биоприпоя испаряется и в месте соединения биологических тканей образуется прочный шов из БСА.
Известно, что биоприпой для лазерной сварки на основе водной дисперсии БСА позволяет реализовать прочность на разрыв ЛШ ~ 0,05 кПа (свиная кожа) [2]. При использовании того же припоя при сварке на кишечнике собаки была достигнута прочность лазерного шва ~ 0,43 кПа [3]. Однако такие значения прочности являются неудовлетворительными, так как они на несколько порядков уступают прочности швов, полученных традиционными хирургическими методами [4].
Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают уникальными свойствами: высокая прочность, удельная проводимость, теплопроводность, оптическая прозрачность и др.
Композиционные наноматериалы, в состав которых входят УНТ в небольшом процентном содержании (<2-3%), также приобретают показатели, которые невозможно достигнуть в других случаях. Новые или существенно улучшенные свойства приобретают наноматериалы под действием лазерного излучения. Например, формируются прочные биосовместимые наноматериалы под действием лазерного излучения на водно-белковые дисперсии, содержащие УНТ [5]. Внутри легкого (пористого) объемного наноматериала с матрицей БСА и наполнителем УНТ под действием лазерного излучения образуется каркас из углеродных нанотрубок, что является причиной существенного увеличения прочности получаемого наноматериала. В частности, наноматериал БСА/УНТ, содержащий менее 0,1 мас. % УНТ, полученный с использованием лазерных технологий и нанотехнологий, имеет прочность в несколько раз выше, чем БСА. При этом в наноматериале БСА/УНТ могут расти и размножаться клетки, что способствует регенерации биологических тканей [6].
Также водная дисперсия композитного наноматериала БСА/УНТ может служить в качестве биоприпоя для лазерной сварки биологических тканей. В биоприпое БСА/УНТ под действием лазерного излучения образуется нанотрубочный каркас в белковой матрице, подобно образованию такого же каркаса в массивном композитном наноматериале БСА/УНТ. Следовательно, полученный ЛШ имеет такие же прочностные свойства, как массивный композитный наноматериал БСА/УНТ. При лазерной сварке биоприпой в составе из БСА и многослойных УНТ (МУНТ), то есть биоприпой из БСА/МУНТ позволяет получить ЛШ с очень высокими значениями абсолютной (~1 МПа) и относительной прочностей (25-30%) в режиме in vitro [5].
Известен биоприпой, используемый в способе лазерной сварки биологических тканей, содержащий различные белки, в том числе БСА, выступающие в роли связующего вещества, а также наполнители из МУНТ и поверхностно-активные вещества [7]. Лазерная сварка с использованием предложенной водной дисперсии биоприпоя БСА/МУНТ требует высокой мощности излучения (десятки Ватт) и процесс сварки занимает длительное время (несколько минут).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению находится биоприпой, содержащий водную дисперсионную основу белка альбумина (бычий сывороточный альбумин, БСА), однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ) и медицинский краситель-индоцианин зеленый (ИЦЗ), при следующем соотношении компонентов: альбумин - 20-25 мас. %, однослойные углеродные нанотрубки - 0,02÷0,05 мас. %, индоцианин зеленый - 0,01 мас. %, дистиллированная вода - остальное [8]. Предложенный биоприпой содержит ОУНТ, которые после приготовления (в течение нескольких часов) быстро агрегируются в виде жгутов или агломератов, которые частично деконтируются. Следовательно, водная дисперсия композитного наноматериала БСА/ОУНТ/ИЦЗ становится более прозрачной для лазерного излучения (неэффективно поглощается лазерное излучение), поэтому требуется увеличивать суммарную поглощенную энергию излучения и время процесса лазерной сварки.
Задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении прочности соединения рассеченных биологических тканей, увеличении времени хранения наноматериала, а также уменьшения его себестоимости.
Указанная техническая задача решается тем, что в состав биосовместимого наноматериала, содержащего водную дисперсионную основу - белок альбумин, углеродные нанотрубки, медицинский краситель - индоцианин зеленый, дополнительно входит бычий белок коллаген в концентрации в диапазоне от 0,3 до 3 мас. %. Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что при лазерной сварке под воздействием лазерного излучения на биоприпой, происходит образование прочной конструкции (нанокомпозитного материала) лазерного шва при испарении жидкостной составляющей материала. Одновременно формируется каркас из углеродных нанотрубок в наноструктурированной белковой матрице. Добавление в состав белка коллагена вместе с другими компонентами увеличивает прочность лазерного шва и уменьшает себестоимость биоприпоя, а добавление МУНТ увеличивает его срок хранения.
Сформированный нанокомпозитный каркас представляет собой аналог естественной биологической матрицы, в которой могут обеспечиваться условия самоорганизации клеточного материала восстанавливаемой биологической ткани.
Лазерная сварка рассеченных биологических тканей с помощью предложенного изобретения осуществляется путем пошагового перемещения пучка лазерного излучения вдоль поверхности биологической ткани, предварительно обработанной биоприпоем из предложенного наноматериала, или пошагового перемещения предварительно обработанной биологической ткани перпендикулярно направлению пучка лазерного излучения.
Рассмотрим пример приготовления биоприпоя и проведения лазерной сварки. Первая стадия заключается в следующем:
- К дистиллированной воде добавляют МУНТ в концентрации 0,02-0,2 мас. %. Далее полученный раствор перемешивают с помощью магнитной мешалки в течение 15-30 мин.
- Полученный раствор помещают в ультразвуковой гомогенизатор при мощности от 25 до 33 Вт, температуре ≤60°С и времени гомогенизирования от 30 до 90 мин.
- В гомогенизированный водный раствор МУНТ порционно добавляют БСА в расчете концентрации 15-20 мас. %.
- В водный раствор БСА/МУНТ добавляют коллаген в расчете концентрации 0,3-3 мас. %.
- В полученный раствор добавляют индоцианин зеленый в расчете концентрации 0,005-0,01 мас. %.
- Полученный раствор перемешивается на магнитной мешалке в течение 2-2,5 ч.
На второй стадии осуществляется нанесение биоприпоя в область рассеченной биологической ткани. Для этого используются микрошприцы или специализированная система подачи (дозирования) биоматериала. Расход биоприпоя на длину шва составляет приблизительно 1 мл/см.
На третьей стадии фиксируются края рассеченной биологической ткани на максимально близком расстоянии относительно друг друга. Для этого используются стягивающие конструкции и/или хирургические щипцы.
На четвертой стадии происходит лазерное воздействие на область рассеченной биологической ткани. Для этого используется источник лазерного излучения с длиной волны в пределах от 800 до 820 нм. Мощность лазерного излучения находится в пределах 2-3 Вт. Процесс воздействия осуществляется путем пошагового перемещения пучка лазерного излучения вдоль поверхности биологической ткани или пошагового перемещения биологической ткани перпендикулярно направлению пучка лазерного излучения. Режим генерации - непрерывный.
В таблице 1 отражены результаты измерения (in vitro) прочности на разрыв шва, полученные при лазерной сварке на примере хрящевой ткани говяжьей трахеи. Здесь приведены абсолютная прочность на разрыв и относительная прочность на разрыв, определенная как отношение прочности ЛШ к прочности цельной хрящевой ткани. Видно, что с увеличением концентрации коллагена растет прочность лазерного шва. Это вызвано тем обстоятельством, что коллаген является гораздо более прочным материалом, чем БСА, поэтому при частичной его замене на коллаген в водной дисперсии биоприпоя растет прочность лазерного шва.
Однако в биоприпое БСА/МУНТ/ИЦЗ/коллаген при концентрациях коллагена более 3 мас. % прочность ЛШ ухудшается. В самом деле, коллаген является трудно растворимым материалом в воде, и при большой его концентрации (>3 мас. %) в дисперсии образуются скопления коллагеновых волокон. Вследствие этого дисперсия теряет однородность. Гомогенизировать ее вновь с помощью ультразвукового (УЗ) диспергатора не представляется возможным, так как под действием УЗ диспергатора в дисперсии происходит денатурация белков и биоприпой теряет свое важное функциональное свойство: способствовать размножению клеток, кроме того, нарушается однородность его структуры и ухудшаются механические свойства. В БСА/МУНТ/ИЦЗ/коллаген при концентрациях ≤0,3 мас. % коллагена влияние последнего незаметно ввиду незначительного изменения суммарного состава белков: БСА+коллаген.
С ростом концентрации МУНТ и ИЦЗ в дисперсии биоприпоя коррелированно увеличивается прочность лазерного шва. Например, в случае водной дисперсии биоприпоя в составе 20 мас. % БСА/0,2 мас. % МУНТ/0,01 мас. % ИЦЗ/3 мас. % коллаген, для ЛШ реализуется абсолютная прочность на разрыв ~ 1,77 МПа, относительная прочность на разрыв ~ 52% при абсолютной прочности на разрыв ~ 3,4 МПа для сплошной хрящевой ткани говяжьей трахеи. Видно, что этот показатель выше на 30% в сравнении с относительной прочностью на разрыв лазерного шва, достигнутой в прототипе.
На фиг. 1 показана типичная картина сварного лазерного шва, полученная на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6010. Видно, что шов выглядит как однородная полоса, соединяющая две части ткани. Он является сплошными, герметично соединяет ткани и имеет ширину порядка 35-40 мкм. В некоторых случаях ширина лазерного шва достигала 80 мкм.
Таким образом, в случае добавления коллагена в биоприпои состава БСА/МУНТ/ИЦЗ при лазерной сварке увеличивается механическая прочность на разрыв лазерного шва, то есть обеспечивается высокая прочность соединения биологических тканей.
Важными преимуществами биоприпоя, изготовленного предложенным способом, относительно известных материалов и прототипа являются [3, 4, 6, 7]:
- его матрица состоит из биологических материалов (белок альбумин, коллаген) и из наполнителей в виде многослойных углеродных нанотрубок и медицинского красителя индоцианина зеленого, и, в целом, наноматериал является биосовместимым;
- степень безопасности предложенного биоприпоя-наноматериала выше, так как в его состав входит МУНТ, а биоприпой-наноматериал, рассмотренный в прототипе, содержит ОУНТ, и его степень безопасности ниже из-за высокой активности ОУНТ;
- при составе 20 мас. % БСА/0,2 мас. % МУНТ/0,01 мас. % ИЦЗ/3 мас. % коллаген для хрящевой ткани реализуется относительная прочность лазерного шва ~ 52%, что выше достигнутой в прототипе (~30%);
- при хранении предложенного биоприпоя БСА/МУНТ/ИЦЗ/коллаген в течение одной недели при комнатной температуре (20-25°С) или в бытовом холодильнике (4°С) в течение одного месяца его свойства практически не изменяются, в то время как биоприпой, рассмотренный в прототипе, значительно теряет свои свойства при хранении при комнатной температуре более 2 ч;
- в предложенном биоприпое уменьшена доля БСА путем его замены на коллаген, а также произведена заменена ОУНТ на МУНТ, что значительно его удешевляет относительно биоприпоя, рассмотренного в прототипе, ввиду дороговизны БСА более чем на порядок в отличие от коллагена, а также ввиду дороговизны ОУНТ относительно МУНТ;
- образованный с использованием предложенного биоприпоя лазерный шов является однородным и герметичным, имеет небольшую ширину ~ 35-80 мкм, и после воссоединения (заживления) частей ткани практически не заметен.
Достоинством биоприпоя для лазерной сварки, полученного предложенным способом, является его высокая эффективность, достигнутая благодаря высокой прочности на разрыв лазерного шва, высокая степень безопасности углеродных нанотрубок, длительный срок хранения и низкая себестоимость наноматериала.
Таким образом, задача, поставленная в настоящей заявке на патент, решена. Предложен способ приготовления биоприпоя для лазерной сварки на основе биологического материала альбумина, коллагена и наполнителя из многослойных углеродных нанотрубок и медицинского красителя индоцианина зеленого. Биоприпой, представляющий собой наноматериал, является биосовместимым.
Источники информации
1. Лазеры в хирургии. Под ред. O.K. Скобелкина. М.: Медицина, 1989. - 256 с.
2. Forer В., Vasilyev Т., Brosh Т., et al. Lasers in Surgery and Medicine, vol. 9999, 1 (2005).
3. Simhon D., Halpern M., Brosh Т., and et al. Annals of surgery, vol. 245(2), 206-213 (2007).
4. Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей. М.: Техносфера. 2007. - 304 с.
5. Герасименко А.Ю., Ичкитидзе Л.П., Подгаецкий В.М., Пономарева О.В., Селищев С.В. // Известия вузов. Электроника, 2010. №4. С. 33-41.
6. Bobrinetskiy I., Gerasimenko A., Ichkitidze L. et al. American Journal of Tissue Engineering and Stem Cell, 1(1), 27-38 (2014).
7. Патент РФ №2425700.
8. Заявка РФ на изобретение №2016150636, решение о выдаче патента от 21.09.2017 г. (прототип).
Биосовместимый наноматериал для лазерного восстановления целостности рассеченных биологических тканей, содержащий водную дисперсионную основу белка альбумина, углеродные нанотрубки и медицинский краситель - индоцианин, отличающийся тем, что в качестве углеродных нанотрубок используют многослойные углеродные нанотрубки и дополнительно содержит бычий белок коллагена при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| альбумин | от 15 до 20 |
| многослойные углеродные нанотрубки | от 0,02 до 0,2 |
| медицинский краситель - индоцианин | от 0,005 до 0,01 |
| бычий белок коллагена в концентрации | от 0,3 до 3 |
| дистиллированная вода | остальное |
