„ scaffold ” -ok előállítása
DESCRIPTION
Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetése az Európai Unió új társadalmi kihívásainak a Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni Egyetemen Azonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
„SCAFFOLD”-OK ELŐÁLLÍTÁSA
Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Dr. Pongrácz JuditHáromdimenziós szövettenyésztés és „tissue engineering” – 9. Előadás
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
„Scaffold” előállítás - Alapvető kritériumok I.• Biokompatibilitás – immunreakciók elkerülése• Felszíni kémia – sejtfunkciók támogatása• Egymással összeköttetésben lévő pórusok
kialakítása – sejtek egyenletes eloszlásának és erek képződésének támogatása
• Ellenőrzött biodegradáció – az új szövet kialakulásának lehetővé tétele
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
„Scaffold” előállítás - Alapvető kritériumok II.• Mechanikai tulajdonságok – a szerkezet és
funkció stabilitása a beültetés után illetve a szöveti újraképződés során
• Lehetőség különböző gyógyszermolekulák illetve bioaktív anyagok beágyazására és szabályozott felszabadulására
• ECM interakció – beültetés után az ECM kialakulásának támogatása
• Beültetés után az ECM helyettesítése
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
A „scaffold”-ok tulajdonságainak jelentősége• Biztosítják a sejtek számára a 3D környezetet• Beültetés után átmenetileg az ECM-t
helyettesíti• Közvetlenül irányítják a sejtek
differenciálódását • Szerkezetük meghatározza az előállított
szövetkonstrukciók tápanyagellátását
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Öntéses-kioldásos módszer (SCPL) I.• Az oldószerben feloldott „scaffold”-anyagot
pórusképző részecskékkel töltött öntőformába öntik• Oldószer elpárologtatása• Pórusképző részecskék kioldása• „Scaffold” bevonat: az öntőformát a feloldott
„scaffold” anyagba mártják• Egyszerű, könnyű, olcsó technika• Nem igényel speciális laboratóriumi felszerelést• A használt szerves oldószerek gyakran mérgezőek,
maradványaik nehezen eltávolíthatóak
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Öntéses-kioldásos módszer (SCPL) II.
Oldószerelpárologtatása
Porogénkioldása
Oldószer
Polimer PorogénÖntőforma
Porózus szerkezetetkapunk
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Fázis szeparációs módszerek• A polimert két, egymással nem elegyedő
oldószer keverékében oldják fel• A telített oldatot melegítik• A magas illetve alacsony polimer-tartalmú
fázisok elkülönülnek egymástól• A hőmérséklet csökkentésével a polimer
kiválik a fázishatáron a túltelített oldatokból• Az oldószert eltávolítják (kivonás,
elpárologtatás, szublimáció)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Magasszintű technikákGázhabosítás• Speciális felszerelést
igényel• A „scaffold” anyagát
nyomásálló kamrába töltik
• A „scaffold” anyagát szuperkritikus állapotú széndioxidban „oldják” fel
• A hőmérséklet csökkentésével gáz halmazállapotúvá válik
• A fázishatáron kicsapódik a feloldott polimer
10 000
1 000
100
10
1200 250 300 350 400
HőmérsékletT (K)
Nyom
ásP
(bar
)
szilárd
folyadék
gáz
kritikus pont
szuperkritikusállapot
hármas pont
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Elektroszövés I.
V
Injektor
Gyűjtőlemez
Fémtű
Polimer vagy kompozit oldat
Elektromosan töltött szálMagasfeszültségűáramforrás
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Elektroszövés II.• Speciális felszerelést igényel• Sokoldalú, flexibilis technika• Nincs szükség extrém körülményekre (hő,
koaguláció)• Többféle polimer használható, pl.: PLA, PLGA,
selyem fibroin, chitosan, kollagén• Szálvastagság, pórusméret, szálorientáció
könnyedén szabályozható
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Magasszintű technikákSzövött biotextíliák• Speciális felszereltséget igényel• Az így előállított „scaffold” szabályos, szövött
szálakat tartalmaz • 2D illetve 3D „scaffold” szerkezet is
előállítható• A pórusméret könnyen szabályozható • Sokoldalú technika, a „scaffold” anyag széles
körben alkalmazható és kombinálható
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Szövött biotextília
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Magasszintű technikák Spontán „összeszerelődés”• Spontán „összeszerelődés” a molekulák
spontán összeállása rendezett struktúrává• Oldott állapotban az amfofil peptidek nem-
kovalens kötésekkel összekapcsolódnak
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Amfofil peptidek tervezése• Foszfoszerin-csoport serkenti a mineralizációt
(csontszövet előállításánál)• RGD motívumok segítik az adhéziót (integrin-
kötőhelyek biztosítása)• Ciszteinek a molekulák közötti keresztkötések
létrejöttét teszik lehetővé• GGG összekötő-motívumok a feji és farki rész
között növelik a molekuláris szerkezet rugalmasságát
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011Magasszintű technikák Automatikus gyártási technológiák• „Rapid prototyping”: adott szerkezetű tárgy
automatizált előállítása additív technológia felhasználásával
• Gyors technológia, mely azonos minőségű, szerkezetű, mintázatú „scaffold”-ot eredményez
• Drága módszer, számítógép vezérelt készüléket igényel
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011Magasszintű technikákFused deposition modeling (FDM)• Robotikusan vezérelt
készülék • Polimer vagy más
anyagból készült szálat tesz le a lerakófejen keresztül több rétegben
• Szilárd felületre vagy • „Vonalkázva”: ekkor a
később eltávolításra kerülő részekhez más anyagot használnak
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
• A kicsivel az olvadáspontja alatt tartott, por vagy granulátum formájú „scaffold” anyagból egy réteget terítenek le (előreprogramozott minta szerint)
• A számítógép-vezérelt lézersugár felmelegíti az anyagot, amely ennek hatására összeáll (összeolvad anélkül, hogy megolvadna)
• Újabb réteget fektetnek le és olvasztanak össze
• A tárgy 3D szerkezete így rétegenként épül fel
Magasszintű technikák Selective laser sintering (SLS)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
75
3
Selective laser sintering (SLS)
4
Lézer
„Scaffold” réteg Éppen készülőtárgy
Szkenner1
Dugattyú
Roller
Dugattyú
Dugattyú
„Scaffold” anyagotmozgató rendszer
2
6
BIOKOMPATIBILITÁS
Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Dr. Pongrácz JuditHáromdimenziós szövettenyésztés és „tissue engineering” – 10. Előadás
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Biokompatibilitás - DefinícióAz anyag azon képessége, hogy a befogadó szervezetben az alkalmazásának megfelelő választ vált ki.
A biokompatibilitás a TE termékek előállításához használt „scaffoldok” vagy mátrixok azon képessége, hogy olyan szubsztrátként viselkednek, amely támogatja a megfelelő sejtműködést, vagyis megkönnyíti a molekuláris és mechanikai jelátviteli rendszerek működését az optimális szövetregeneráció érdekében, DE sem az adott sejtekben, sem pedig lokálisan vagy szisztémásan nem idéz elő nem kívánt válaszreakciót.
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Biokompatibilitás - Jelenlegi nézetekRégi koncepció: olyan bioanyagok használata, melyek nem lépnek interakcióba a befogadó szervezet („host”) szöveteivelA bioanyag-tervezés új célkitűzései: • A bioanyagok aktív módon interakcióba
lépnek a „host” szöveteivel• Pozitív élettani választ váltanak ki• Támogatják a sejtek növekedését és
differenciálódását
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Bioanyagok biokompatibilitása• A természetből származó anyagok természetüknél
fogva biokompatibilisek (pl.: kollagén, fibrin, hyaluronsav)
• A xenogén bioanyagokat a biokompatibilitás eléréséhez módosítani kell (pl.: borjúkollagén humán felhasználása előtt az immunogén szekvenciákat el kell távolítani emésztéssel)
• Már rekombináns humán kollagén is kapható• Más xenogén anyagok (pl.: növényi eredetű
poliszacharidok) biokompatibilitását tesztelni kell• Szintetikus anyagoknál szintén ellenőrizni kell azok
biokompatibilitását
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Biokompatibilitás - TerminológiaBiodegradálhatóság: in vivo makromolekuláris degradáció; a lebomlási termékek nem eliminálódnak a szervezetbőlBioabszorbeálhatóság: a makromolekuláris komponensek az anyagcsere megváltozása nélkül jutnak be a szervezetbeBiológiai felszívódóképesség: a makromolekuláris alkotóelemek lebomlása és metabolizálódása, a molelulatömeg csökkenése, a végtermék kiválasztása
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Biokompatibilitás tesztelése• A vér/anyag vagy szövet/anyag határfelületnek a lehető legkisebbnek
kell lennie• Álljon ellen a biodegenerációnak• Fontos, hogy a bioanyag természetes anyagként viselkedjen vér és
szövet jelenlétében. • A beültethetőséget kizárja, ha az anyag:
– Vérrögképződést indít el (Trombózisveszély)– Károsítja vagy szenzitizálja a vér sejtes elemeit– Megváltoztatja vérplazma fehérjéit (köztük enzimeket) nem kívánt
reakciókat előidézve– Káros immunreakciót indít el– Rákot okoz– Teratogén– Toxikus vagy allergiás választ vált ki– Elektrolitvesztést okoz– Sterilizálás hatással van rá
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Inkompatibilitás miatt fellépő komplikációk• A beültetett anyag elleni immunreakció • Krónikus gyulladás• Hegszövet képződés• Fokozott véralvadás (érgraft inkompatibilitás)• Graft elégtelenség• Kilökődés
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Normál sebgyógyulásA sebgyógyulás több fázisra osztható, az egyes szakaszokra a bennük szerepet játszó sejtpopulációk illetve sejtfunkciók egyaránt jellemzőek:1. Véralvadás2. Gyulladás3. Sejtek inváziója és szöveti újraképződés
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Idegentest reakció I.Az implantátum jelenléte megváltoztatja a gyógyulási folyamatot, ez az un. idegentest reakció (Foreign Body Reaction, FBR), részei:
• Fehérje adszorpció• Makrofágok• Sokmagvú idegentest óriássejtek• Fibroblasztok• Érképződés
Az implantátum folyamatos jelenléte egy végső készenléti állapot eléréséhez vezethet (resolution).
Az implantátum sorsa ezután a következő 3 folyamat egyike lehet:• Reszorpció• Integráció• Enkapszuláció (fibrózis)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Idegentest reakció II.
Bioanyag
Monociták
Makrofágok
Ér
Endotél
Sejt-vándorlás
Fibroblasztokatés kollagént tartalmazó réteg
Makrofágokattartalmazó réteg
Bioanyag
Idegentest típusúóriássejtek
A frusztrált fagocitózis a makrofágok aktivációjáhozés óriássejtek képződéséhez vezet
Az abszorbeált plazmafehérjék granulocitaés makrofág választ indítanak el
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
BioanyagokIdeiglenes implantátumok:• A szöveti regeneráció és gyógyulás átmeneti
segítése• Csont graftok, biológiailag felszívódó
sebészeti varratok
Állandó implantátumok: • Hosszú távú fizikai integritás és mechanikai
teljesítmény• Szervműködés hosszú távú helyettesítése• Műbillentyűk, ízületek, stb.
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Biológiailag inert anyagokPoli-tetrafluor-etilén (PTFE, Teflon®):• A szervezet számára inert• Rendkívül alacsony súrlódási együttható
(0,05-0,10 a polírozott acélhoz képest)• Biológiailag inert, az élő szövetekkel nem lép
interakcióba• Ízületi protézisek valamint műbillentyűk
felszínének borítására használják
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Szilikon származékok• A szilikonok olyan polimerek, amelyek a
biokompatibilis polimerek által általánosan tartalmazott C, H, N, O elemek mellett Si-t is tartalmaznak
• A szilikonok gyógyászati osztályozása: nem beültethető, rövid- illetve hosszútávra beültethető szilikonok
• Katéterek, csövek, mellimplantátumok, óvszerek előállításához
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Biokompatibilis fémek• Titánium ötvözetek ízületi protézisekhez és
fogpótlásokhoz• Kitűnő mechanikai sajátságok• Nem toxikusak, és nem lökődnek ki• Egyedülálló osseointegrációs képesség• A beültetést megelőzően alkalmazott
hidroxiapatit borítás elősegíti az osseointegrációt
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Hidroxiapatit kerámiák• A hidroxiapatit (HA) természetes állapotban a
csontokban és a fogakban megtalálható• HA kristályokat gyakran más polimerekkel
kombinálják a „scaffold” előállítás során• Mikrokristályos HA táplálékkiegészítőként is
kapható a csontritkulás megelőzésére • Jobb, mint a CaCO3 az oszteoporózis
megelőzésében
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Poli-a-hidroxi-savak: bioabszorbeálható polimerek• Leggyakrabban használt bioanyagok• Fő felhasználási terület: felszívódó varratok,
gyógyszerhordozó „scaffold”-ok, ortopédiai protézisek
• Poliészter láncok• Egyszerű hidrolízissel történő biodegradáció • A keletkező a-hidroxi-savak különböző
anyagcsereutakon át eliminálódnak (pl.: citromsav ciklus) vagy módosítás nélkül a vizelettel távoznak
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Poli-a-hidroxi-savak biodegradációja I.
Leggyakrabban használt poli-a-hidroxi-savak:• Poli-tejsav (PLA)• Poli-glikolsav (PGA)• Poli-kaprolakton (PCL)Degradációs termékeik a citrátkörbe lépnek be
Poliészter Hidroxi-terminális Karboxi-terminális
H2O(CH2)nCO(CH2)n CO O
HO(CH2)n COO
(CH2)COHO
+
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Poli-a-hidroxi-savak biodegradációja II.
PGA
PLA
H2OGlikolsavGlicinSzerin
TejsavPiruvát
CO2
Acetil-KoA
Citromsav
Citrátkör
Oxidatív foszforiláció
CO2
b-Hidroxi-butirát
Acetoacetát
H2O
H2O
PDS
PHB Észteráz
Vizelet
H2O
ATP
PGA = poli-(glikolsav)PLA = poli-(tejsav)PDS = poli-(d-dioxán)PHB = poli-(hidoroxi-butirát)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Poli-a-hidroxi-savak felhasználásaTípus Polimer Jelenlegi felhasználás
Poliészter
Politejsavak
Poli-(L-tejsav), [PLLA]
Poli-(D, L-tejsav), [PDLLA]
• Felszívódó varratok • Csontprotézisek • Csont-, máj- és idegszövet
konstrukció számára „scaffold”-ként • Gyógyszerhordozóként (többféle)
PoliészterTejsav-glikolsav kopolimer, [PLGA]
• Szabályozott hatóanyag-leadási rendszerként (fehérjék és kismolekulájú gyógyszerek)
• TE „scaffold”• Gyógyszerhordozóként (többféle) • Génátvitel
Poliészter Poli-( -ε kaprolakton), [PCL]
• Lassú szabályozott hatóanyag-leadási rendszerként – gyógyszerhordozóként (pl.: > 1 év)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Poli-(Glikolsav), (PGA)• PGA merev, erősen kristályos anyag • Kizárólag erősen apoláros szerves
oldószerekben oldódik• Főként felszívódó varratokban használják
(Dexon®)• SCPL technikával „scaffold” előállítás • Tömeg-degradáció• Természetes lebomlási termék (glikolsav)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Poli-(tejsav), PLA és PGA kopolimerek• D, L izoformák és racémek keverékei• Leggyakrabbab az L izoformát használják
együtt PGA-val: PLGA kopolimer• PLGA egyike azon kevés polimernek, amelyet
humán felhasználásra fejlesztettek ki• PGA és PLLA kopolimerjei széles körben
felhasználhatóak• A degradáció sebessége illetve típusa a
kopolimer összetételétől függ
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Politejsavak biodegradációja• Általános lépés az észterkötések random
hidrolízise• A degradáció típusa és sebessége az
összetételtől függ• A lebomlási termékek nem toxikusak, nem
váltanak ki gyulladást• Nagyméretű ortopédprotézisek esetén azok
savas degradációja toxikus termékeket eredményezhet
• Kisebb darabok törhetnek le az implantátumról, melyek gyulladást okozhatnak
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Poli-(kaprolakton), (PCL)• Szemikristályos polimer• Nagyon lassú degradáció (a tiszta PCL 3 év
alatt bomlik le, más kapronokkal alkotott kopolimerjei könnyebben degradálódnak)
• Hosszabb távú gyógyszerhordozásra használják
• A PCL-t biokompatibilis, nem toxikus anyagként tartják számon
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Polimer erózió• A víz beszivárog az anyagba, a polimer amorf
fázisának kémiai kötéseit hasítja, így a hosszú polimerláncokat rövid vízoldékony darabokra bontja.
• Ennek következtében a molekulatömeg csökken, a fizikai tulajdonságok viszont nem változnak, hiszen a kristályos fázisok összetartják a polimert. A víz átjárja az anyagot, és a fragmensek metabolizálódását és tömegerózióját indítja el.
• A polimer felületi eróziójáról akkor beszélünk, ha a polimer gyorsabban alakul át vízoldékony anyagokká, mint ahogy a víz beszivárog a konstrukcióba.
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Bioanyagok degradációjának típusai
IdőDegradáció
TömegerózióFelületi erózió
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Degradáció I. • Biológiailag lebomló hidrogélek: a
vízoldékony polimerláncok közötti kémiai keresztkötések hasítása
• Felületi erózió a jellemző• A tömegveszteség lineáris a degradáció
során
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Degradáció II. A polimerlánc hasítása vízoldékony monomereket eredményez
−(CH − C − O − CH − C − O −)x−(CH2 − C − O − CH2 − C − O)y−−HO − CH − C − OH + OH − CH2 − C − OH
CO2 + H2O
H2O
Krebbs ciklusO
CH3
O
CH3
O O
CH3
O O
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Degradáció III.• Polimer hidrofóbicitás: a hidrofóbicitás
növekedése nagyobb stabilitást eredményez• Bulky szubsztitúciós csoportok (pl.: metil-
csoport PLA esetén) növeli a degradációs időt (PGA<PLA)
• Üvegesedés: Az üvegesedési hőmérséklet (Tg) felett a rugalmassá váló polimerek láncai mozgékonyabbak, így a víz számára könnyebben hozzáférhetőek
• Kristályos szerkezet csökkenti, az amorf struktúra növeli a degradáció időtartamát