RU2416434C1 - Bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis and method for producing said structure - Google Patents

Bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis and method for producing said structure Download PDF

Info

Publication number
RU2416434C1
RU2416434C1 RU2009148062/15A RU2009148062A RU2416434C1 RU 2416434 C1 RU2416434 C1 RU 2416434C1 RU 2009148062/15 A RU2009148062/15 A RU 2009148062/15A RU 2009148062 A RU2009148062 A RU 2009148062A RU 2416434 C1 RU2416434 C1 RU 2416434C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cells
bone
mbnp
bioengineered
cell
Prior art date
Application number
RU2009148062/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Алексеевич Кулаков (RU)
Анатолий Алексеевич Кулаков
Алексей Суренович Григорьян (RU)
Алексей Суренович Григорьян
Екатерина Владимировна Киселёва (RU)
Екатерина Владимировна Киселёва
Михаил Рудольфович Филонов (RU)
Михаил Рудольфович Филонов
Дмитрий Владимирович Штанский (RU)
Дмитрий Владимирович Штанский
Original Assignee
Анатолий Алексеевич Кулаков
Алексей Суренович Григорьян
Екатерина Владимировна Киселёва
Михаил Рудольфович Филонов
Дмитрий Владимирович Штанский
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анатолий Алексеевич Кулаков, Алексей Суренович Григорьян, Екатерина Владимировна Киселёва, Михаил Рудольфович Филонов, Дмитрий Владимирович Штанский filed Critical Анатолий Алексеевич Кулаков
Priority to RU2009148062/15A priority Critical patent/RU2416434C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2416434C1 publication Critical patent/RU2416434C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine. ^ SUBSTANCE: invention refers to medicine, and concerns a bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis which represents a hybrid implant comprising a porous polytetrafluorethylene membrane with a M-Ca-P-C-O-N or M-Ca-C-O-N doped multifunction, biocompatible, non-resorbed coating MBNC, where M is a metal chosen from a line including Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, with autogenous or allogenic stromal cells recovered from fatty tissue or bone marrow passed on the surface thereof. ^ EFFECT: invention provides reliable degree of cell population attachment to the surface of the bioengineered structure with high cell culture adhesion and growth. ^ 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области медицины и медицинской технике, а именно к клеточным технологиям по разделу биоинженерных конструкций для применения в челюстно-лицевой, черепно-мозговой хирургии, стоматологии, травматологии, и может быть использовано для закрытия костных дефектов с восстановлением в них костной ткани, а также устранения и лечения костных дефектов различных отделов лицевого или мозгового черепа или иных костей и хрящей или их поврежденных частей.The invention relates to the field of medicine and medical equipment, in particular to cellular technologies for bioengineering structures for use in maxillofacial, cranial surgery, dentistry, traumatology, and can be used to close bone defects with restoration of bone tissue in them, and also the elimination and treatment of bone defects in various departments of the facial or brain skull or other bones and cartilage or their damaged parts.

Термин «биоинженерная конструкция» в медицине возник сравнительно недавно и распространен среди специалистов, практикующихся в области лечения дефектов костей с применением клеточной технологии (W. Zhang et al. Reconstructing Mandibular Defects with Autologous Bioengineered Tooth and Bone, по материалам журнала Science Daily. Apr. 5, 2008, портал «Вечная молодость» http://www.vechnayamolodost.ru/; У.В.Вольперт, О.О.Янушевич, А.С.Григорьян, Н.Н.Мальгинов, А.И.Воложин. Заживление костных дефектов ветви нижней челюсти кроликов под биоинженерными конструкциями из титана и золотого сплава с ксеногенными мезенхимальными стволовыми клетками // Стоматология, 2009, №1, с.30).The term “bioengineered construct” in medicine has emerged relatively recently and is widely used among practitioners in the field of treating bone defects using cell technology (W. Zhang et al. Reconstructing Mandibular Defects with Autologous Bioengineered Tooth and Bone, based on Science Daily. Apr. 5, 2008, the portal “Eternal Youth” http://www.vechnayamolodost.ru/; U.V. Volpert, O.O.Yanushevich, A.S. Grigoryan, N.N. Malginov, A.I. Volozhin. Healing of bone defects of the lower jaw branch of rabbits under bioengineered structures of titanium and a gold alloy with xenogenic mesench mal stem cells // Dentistry, 2009, №1, p.30).

Авторы монографии А.С.Григорьян и А.К.Топоркова «Проблемы интеграции имплантатов в костную ткань» // Техносфера, Москва, 2007, на с.8, так определяют термин биоинженерные конструкции: «биоинженерные конструкции (гибридные имплантаты) - это комплексы из «неживого» материала и «живой» материи, используемые для замещения утраченных органо-тканевых структур пациентов. При этом восполнение «отсутствующего» органо-тканевого образования осуществляется как за счет специфической структуры «неживой» подложки, так и за счет трансплантированной клеточной или тканевой составляющей биоинженерной конструкции».The authors of the monograph A.S. Grigoryan and A.K. Toporkov, “Problems of the integration of implants in bone tissue” // Technosphere, Moscow, 2007, p. 8, define the term bioengineered constructions as follows: “bioengineered constructions (hybrid implants) are complexes from “non-living” material and “living” matter used to replace lost organ-tissue structures of patients. In this case, the replenishment of the "missing" organ-tissue formation is carried out both due to the specific structure of the "non-living" substrate, and due to the transplanted cellular or tissue component of the bioengineered structure. "

Проблемы хирургического лечения костных дефектов в челюстно-лицевой, черепно-мозговой хирургии, стоматологии, особенно дефектов плоских костей черепа, в том числе костей свода черепа, являются одними из самых трудных в своем решении и остаются актуальными на современном этапе, поэтому применение клеточных технологий с использованием резорбируемой либо нерезорбируемой основы в восстановительной хирургии является актуальным и необходимым.The problems of surgical treatment of bone defects in maxillofacial, cranial surgery, dentistry, especially defects of the flat bones of the skull, including the bones of the cranial vault, are one of the most difficult in their solution and remain relevant at the present stage, therefore, the use of cell technology with the use of a resorbable or non-resorbable base in reconstructive surgery is relevant and necessary.

Известно устройство для краниопластики, используемое для лечения дефектов черепа после трепанации, содержащее пластину из самотвердеющей пластмассы с тремя фиксирующими элементами, выполненными в виде шплинтов из пористого никелида титана, при этом каждый шплинт имеет уплощенную головку с шипами и трапециевидный стержень с расходящимся концом, головки шплинтов помещены в тело пластины со стороны торцов, а стержни ориентированы в плоскости пластины ортогонально линии ее кромки (SU 1655477 А1, А61В 17/58, 15.06.1991).A device for cranioplasty is known that is used to treat skull defects after trepanation, containing a self-hardening plastic plate with three locking elements made in the form of cotter pins made of porous titanium nickelide, with each cotter pin having a flattened head with spikes and a trapezoidal shaft with a divergent end, cotter pins placed in the body of the plate from the ends, and the rods are oriented in the plane of the plate orthogonally to the line of its edge (SU 1655477 A1, A61B 17/58, 06/15/1991).

Известно устройство для эндопротезирования дефектов костей черепа, состоящее из пластины для закрытия дефекта с отверстиями для прорастания костной тканью и под крепежные элементы, при этом пластина выполнена из оксидированного металла толщиной 0,15-0,35 мм с возможностью конгруэнтного покрытия дефекта костей черепа, по всей площади пластины в шахматном порядке расположены перфорационные отверстия диаметром 1,5-2,0 мм с расстоянием между центрами в ряду 4 мм, а между рядами - 3 мм, а фиксирующие элементы, выполненные в виде омегообразных скобок из металла с памятью формы, располагаются в упомянутых отверстиях по краю пластины (RU 2133113 C1, A61B 17/80, 20.07.1999).A device for endoprosthetics of defects in skull bones is known, consisting of a plate for closing a defect with holes for germination of bone tissue and for fasteners, while the plate is made of oxidized metal with a thickness of 0.15-0.35 mm with the possibility of congruent coating of the defect of the skull bones perforated holes with a diameter of 1.5-2.0 mm with a distance between the centers in the row of 4 mm and between the rows of 3 mm, and the fixing elements made in the form of omega-shaped staples are staggered throughout the plate area from a metal with shape memory, arranged in said holes along the edge of plates (RU 2133113 C1, A61B 17/80, 20.07.1999).

Более усовершенствованное устройство для закрытия дефектов костей свода черепа предложено в патенте RU 2308909 C1, A61F 2/28, 27.10.2007. Устройство состоит из круглой или овальной пластины, выполненной из оксидированного титана с расположенными по всей площади пластины в шахматном порядке перфорационными отверстиями диаметром 1,5-2,0 мм с расстояниями между центрами в ряду 4 мм, а между рядами 3 мм для прорастания костной тканью и под крепежные элементы в виде омегообразных скобок из металла с памятью формы.A more advanced device for closing defects of the bones of the cranial vault is proposed in patent RU 2308909 C1, A61F 2/28, 10.27.2007. The device consists of a round or oval plate made of oxidized titanium with perforations 1.5–2.0 mm in diameter staggered across the entire plate area with center spacing in the row of 4 mm and 3 mm between rows for bone growth and for fasteners in the form of omego-shaped metal brackets with shape memory.

Однако все указанные известные устройства, трудоемкие в исполнении, не обеспечивают стабильной остеоинтеграции вследствие их коррозирования и по этой же причине постепенно теряют качество высокой биосовместимости с костной тканью, что со временем приводит к отторжению имплантата.However, all of these known devices, laborious in design, do not provide stable osseointegration due to their corrosion and for the same reason they gradually lose the quality of high biocompatibility with bone tissue, which over time leads to rejection of the implant.

Известен имплантат для хирургического лечения заболеваний внутренних органов, который содержит клеточную суспензию, помещенную в иммуноизолированное вместилище, выполненное в виде сплошного объема сферической или уплощенной формы из пористого никелида титана с поперечным размером пор, не превышающим 0,5 мкм, через которые осуществляется обмен веществ клеточной суспензии, соответствующей заболевшему органу и не проникают иммунные клетки, поскольку их размеры превышают размеры пор (RU 2143867 С1, A61F 2/02, 10.01.2000). Известное изобретение направлено на лечение заболеваний внутренних органов и позволяет увеличить срок службы имплантата благодаря высокой биомеханической совместимости. Одним из недостатков имплантата является слабая поверхностная адгезия используемой клеточной культуры, с недостаточно устойчивой ее фиксацией на поверхности никелида титана, что может привести к постепенной обратной диффузии культуры по сквозным каналам ячеек за пределы пористого каркаса. В известном патенте нет сведений об использовании заявленной конструкции для восстановления костных дефектов.A known implant for the surgical treatment of diseases of internal organs, which contains a cell suspension placed in an immuno-isolated receptacle made in the form of a continuous volume of spherical or flattened form of porous titanium nickelide with a transverse pore size of not more than 0.5 microns through which the metabolism of the cell a suspension corresponding to a diseased organ and immune cells do not penetrate, since their sizes exceed the pore sizes (RU 2143867 C1, A61F 2/02, 10.01.2000). The known invention is directed to the treatment of diseases of internal organs and allows to increase the life of the implant due to the high biomechanical compatibility. One of the disadvantages of the implant is the poor surface adhesion of the used cell culture, with its insufficiently stable fixation on the surface of titanium nickelide, which can lead to a gradual reverse diffusion of the culture through the cell channels outside the porous framework. In the known patent there is no information about the use of the claimed design for the restoration of bone defects.

Известен способ иммобилизации остеогенных стромальных стволовых клеток костного мозга на пористом каркасе, сущность которого заключается в следующем: культивацию остеогенных стромальных клеток костного мозга проводят после их выделения с высокой степенью очистки от сопутствующих форменных элементов из аспирата костного мозга без его предварительной механической и ферментативной обработки и применения микроносителей в монослойной культуре; поверхность пористого каркаса покрывают двойным протеиновым гидрофильным остеогенным слоем путем инкубации заготовки в растворе коллагена в уксусной кислоте и затем в среде DMEM, содержащей раствор желатиноля и β-глицерофосфат; пористый каркас представляет собой биологически инертный металлический сплав никелида титана с проницаемой сквозной пористой структурой с размерами ячеек 300-400 мкм и соединяющих их каналов 25-35 мкм в диаметре; суспензию очищенных и выращенных в монослойных культурах остеогепных стромальных стволовых клеток наносят на пористый каркас перед использованием ex tempore посредством диффузионного осаждения на гидрофильную проницаемую поверхность (RU 2329055 С2, А61К 35/28; C12N 5/08; A61F 2/02, 20.07.2007). Использование известного способа позволяет создать трехмерную монокультуру остеогенных стромальных клеток костного мозга с заданными параметрами количества и плотности форменных элементов с пролонгированной пролиферативной активностью и тканевой дифференцировкой для моделирования тканевой структуры и репаративной функции губчатой кости.There is a method of immobilizing osteogenic stromal bone marrow stem cells on a porous framework, the essence of which is as follows: the cultivation of osteogenic stromal bone marrow cells is carried out after their isolation with a high degree of purification from related shaped elements from bone marrow aspirate without prior mechanical and enzymatic processing and use microcarriers in a monolayer culture; the surface of the porous skeleton is covered with a double protein hydrophilic osteogenic layer by incubating the preform in a solution of collagen in acetic acid and then in DMEM containing a solution of gelatin and β-glycerophosphate; the porous framework is a biologically inert metal alloy of titanium nickelide with a permeable through porous structure with mesh sizes of 300-400 microns and channels connecting them 25-35 microns in diameter; a suspension of osteogep stromal stem cells purified and grown in monolayer cultures is applied to the porous framework before using ex tempore by diffusion deposition on a hydrophilic permeable surface (RU 2329055 C2, A61K 35/28; C12N 5/08; A61F 2/02, 07/20/2007) . Using the known method, it is possible to create a three-dimensional monoculture of osteogenic stromal bone marrow cells with predetermined parameters of the number and density of shaped elements with prolonged proliferative activity and tissue differentiation to simulate the tissue structure and reparative function of the cancellous bone.

Полученную заготовку из пористого никелида титана, пропитанную клеточной суспензией остеогенных стромальных клеток костного мозга, можно классифицировать как инженерную конструкцию, обладающую высокими остеогенными свойствами. Единственным недостатком такой конструкции являются лишь ограничения ее использования в области челюстно-лицевой и черепно-мозговой хирургии.The obtained preform from porous titanium nickelide, impregnated with a cell suspension of osteogenic stromal bone marrow cells, can be classified as an engineering structure with high osteogenic properties. The only drawback of this design is only the limitations of its use in the field of maxillofacial and cranial surgery.

Недостатком для всех металлических имплантатов из титана, никелида титана или сплавов: титан-тантал-ниобий (RU 2302261 C1, A61L 27/04, A61K 6/04, 10.07.2007), сплава титан-кобальт (RU 2341293 C1, A61L 27/04, 27/06, 27/04, A61F 2/28) являются их низкие эстетические характеристики, так как указанные имплантаты выделяются темными пятнами под кожей на голове, требуют жесткой механической фиксации, обладают большим удельным весом и из-за высокой теплопроводности приводят к переохлаждению имплантированной области при минусовых температурах.The disadvantage for all metal implants made of titanium, titanium nickelide or alloys: titanium-tantalum-niobium (RU 2302261 C1, A61L 27/04, A61K 6/04, 07/10/2007), titanium-cobalt alloy (RU 2341293 C1, A61L 27 / 04, 27/06, 27/04, A61F 2/28) are their low aesthetic characteristics, since these implants are dark spots under the skin on the head, require rigid mechanical fixation, have a high specific gravity and, due to the high thermal conductivity, lead to hypothermia of the implanted region at subzero temperatures.

Указанный выше патент RU 2329055 С2 является наиболее близким аналогом в части объекта «способ».The aforementioned patent RU 2329055 C2 is the closest analogue in terms of the “method” object.

Наиболее близким аналогом к заявляемой инженерной конструкции в части объекта «вещество» является имплантационный материал (абиологический гибридный имплантат), который включает основу (мембрану) из политетрафторэтилена (ПТФЭ) пористостью 3,0-40,0% и поверхностный слой покрытия толщиной не менее 50 нм, модифицированный легирующими элементами M-Ca-C-O-N, M-Ca-P-C-O-N, где M-Ti, Zr, Hf, Nb, Та (RU 2325191 C1, A61L 27/06; 27/14, 27/56, 27.05.2008).The closest analogue to the claimed engineering design in terms of the “substance” object is an implant material (abiological hybrid implant), which includes a base (membrane) made of polytetrafluoroethylene (PTFE) with a porosity of 3.0–40.0% and a surface coating layer with a thickness of at least 50 nm, modified with alloying elements M-Ca-CON, M-Ca-PCON, where M-Ti, Zr, Hf, Nb, Ta (RU 2325191 C1, A61L 27/06; 27/14, 27/56, 05.27.2008 )

В указанном патенте представлены характеристики гибридных имплантатов на основе ПТФЭ с покрытием и культуры клеток, выделенной из кожно-мышечных фибробластов эмбрионов человека. В опытах in vitro с использованием люминисцентной микроскопии и метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) было показано, что на поверхности нерезорбируемого полимерного материала политетрафторэтилена с покрытием при культивировании на них эмбриональных фибробластов происходят адгезия и распластывание указанных клеток.This patent describes the characteristics of hybrid PTFE-based implants with a coating and cell culture isolated from skin-muscle fibroblasts of human embryos. In in vitro experiments using luminescent microscopy and scanning electron microscopy (SEM), it was shown that on the surface of a non-resorbable polytetrafluoroethylene coated polymeric material, when these embryonic fibroblasts are cultured on them, these cells adhere and expand.

Из текста описания указанного патента следует также, что имплантаты из ПТФЭ с покрытием обладают высоким остеоинтеграционным потенциалом, высокой биосовместимостью с живыми тканями и не токсичны, что позволяет определить эти покрытия как многофункциональные, биосовместимые, нерезорбируемые покрытия (МБНП).It also follows from the text of the description of this patent that PTFE implants with a coating have high osseointegration potential, high biocompatibility with living tissues and are non-toxic, which makes it possible to define these coatings as multifunctional, biocompatible, non-resorbable coatings (MBNP).

Исходя из этих данных можно сделать вывод о перспективности использования в клинических условиях пористого ПТФЭ с МБНП в качестве абиологического носителя клеточной культуры в биоинженерных конструкциях (гибридных имплантатах) для хирургического лечения дефектов костей, в частности костей лицевого черепа и его свода.Based on these data, it can be concluded that the clinical use of porous PTFE with MBNP as an abiological carrier of cell culture in bioengineered structures (hybrid implants) for the surgical treatment of bone defects, in particular facial bones and its arch, is promising.

Наиболее перспективные обеспечивающие успешность применения клеточных технологий при лечении костных дефектов являются следующие принципы:The most promising ensuring the success of the use of cell technology in the treatment of bone defects are the following principles:

- применение аутогенных стромальных (стволовых) клеток (источники - костный мозг, жировая ткань);- the use of autogenous stromal (stem) cells (sources - bone marrow, adipose tissue);

- применение коммитированных стромальных (стволовых) клеток;- the use of committed stromal (stem) cells;

- применение аутогенных стромальных (стволовых) клеток и предшественников костных клеток в составе биоинженерных конструкций.- the use of autogenous stromal (stem) cells and bone cell precursors as part of bioengineered structures.

Последнее направление признается наиболее теоретически обоснованным и перспективным для целей хирургического лечения костных дефектов.The latter area is recognized as the most theoretically sound and promising for the surgical treatment of bone defects.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка нового типа гибридных имплантатов «биоинженерных конструкций» для закрытия костных дефектов с восстановлением в них костной ткани и способа получения указанной конструкции.The objective of the invention is to develop a new type of hybrid implants "bioengineered structures" for closing bone defects with the restoration of bone tissue in them and a method for obtaining the specified design.

Техническим результатом изобретения является обеспечение надежной степени закрепления культивированных стромальных клеток (клеточной популяции) на поверхности биоинженерной конструкции, при высокой степени адгезии и роста клеточной популяции на биосовместимом носителе.The technical result of the invention is to provide a reliable degree of fixation of cultured stromal cells (cell population) on the surface of the bioengineered structure, with a high degree of adhesion and growth of the cell population on a biocompatible carrier.

Следует иметь в виду, что сам по себе ПТФЭ, являясь высоко биосовместимым нерезорбируемым пластическим материалом, обладающим высоким уровнем интеграции в тканевой среде, удобный и легкий, к тому же не подверженный коррозии, в отличие от металлических имплантатов, в то же время не может обеспечить адгезию клеток на его поверхности, что препятствует их культивированию на имплантатах из ПТФЭ. Эта проблема решается нанесением на поверхность ПТФЭ описанного выше покрытия.It should be borne in mind that PTFE itself, being a highly biocompatible non-resorbable plastic material with a high level of integration in the tissue environment, is convenient and lightweight, and besides not subject to corrosion, unlike metal implants, at the same time it cannot provide cell adhesion on its surface, which prevents their cultivation on PTFE implants. This problem is solved by applying the above coating to the surface of PTFE.

Технический результат в части объекта «вещество» достигается тем, что биоинженерная конструкция для закрытия костных дефектов с восстановлением в них костной ткани представляет собой гибридный имплантат в виде пористой мембраны из политетрафторэтилена с многофункциональным, биосовместимым, нерезорбируемым покрытием МБНП, легированным элементами M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где M - металл, выбранный из ряда, включающего Ti, Zr, Hf, Nb, Та, на поверхности которого пассированы аутогенные или аллогенные стромальные клетки, выделенные из жировой ткани или костного мозга.The technical result regarding the “substance” object is achieved by the fact that the bioengineered design for closing bone defects with restoration of bone tissue in them is a hybrid implant in the form of a porous polytetrafluoroethylene membrane with a multifunctional, biocompatible, non-resorbable MBNP coating doped with M-Ca-PCON elements or M-Ca-CON, where M is a metal selected from the series including Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, on the surface of which autologous or allogeneic stromal cells isolated from adipose tissue are passaged bone marrow.

Основа имплантата имеет размер пор 200-500 мкм. Из металлов покрытие содержит преимущественно титан.The base of the implant has a pore size of 200-500 microns. Of metals, the coating mainly contains titanium.

В части объекта «способ» технический результат достигается тем, что способ получения биоинженерной конструкции заключается в том, что выделяют стромальные клетки из жировой ткани СКЖТ или костного мозга реципиента, в том числе предшественники костных клеток, с последующим культивированием из них клеточной популяции, которое включает последовательно: промывку ткани в солевом растворе с антибиотиками, измельчение ткани, инкубирование в растворе 0,1% коллагеназы при 37°С и постоянном перемешивании в течение 90 мин, ингибирование выделенного фермента добавлением 10% фетальной телячьей сыворотки, отделение зрелых адипоцитов центрифугированием при 300 g в течение 10 мин, отмывку полученного клеточного осадка от фермента в среде DMEM (Sigma), содержащей 10% ФТС, фильтрование полученной суспензии клеток через нейлоновый фильтр и ее отделение центрифугированием при 400 g в течение 30 мин при комнатной температуре, тройную отмывку, полученной фракции мононуклеарных клеток в виде суспензии, в среде DMEM, при этом культуры клеток культивируют до первого пассирования в среде DMEM, содержащей 20% сыворотки, затем в среде DMEM, содержащей 10% ФТС, после чего культуры СКЖТ пассируют на поверхность многофункционального, биосовместимого, нерезорбируемого покрытия МБНП гибридного имплантата, представляющего собой пористую мембрану из политетрафторэтилена с размерами пор 200-500 мкм, при этом МБНП легировано элементами M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда, включающего Ti, Zr, Hf, Nb, Та, через 24 часа после пассирования поверхности МБНП среду культивирования меняют на остеогенную и проводят остеогенную стимуляцию с использованием следующего состава: среда DMEM, 10% ФТС, 0,01 мкМ 1,25-дигидроксивитамин D3 (Sigma), 50 мкМ аскорбат-2-фосфат (Sigma), 10 мМ β-глицерофосфат (Sigma), при смене среды каждые 3 суток, затем клетки культивируют в индукционной среде в течение 14 дней, после чего полученную биоинженерную конструкцию используют по назначению.In the part of the “method” object, the technical result is achieved by the fact that the method of obtaining the bioengineered design is that stromal cells are isolated from the adipose tissue of the gastrointestinal tract or the bone marrow of the recipient, including precursors of bone cells, followed by cultivation of the cell population from them, which includes sequentially: washing the tissue in a saline solution with antibiotics, grinding the tissue, incubating in a solution of 0.1% collagenase at 37 ° C and constant stirring for 90 min, inhibition of the excreted enzyme by adding 10% fetal calf serum, separating mature adipocytes by centrifugation at 300 g for 10 min, washing the obtained cell pellet from the enzyme in DMEM (Sigma) containing 10% FCS, filtering the resulting cell suspension through a nylon filter and separating it by centrifugation at 400 g for 30 min at room temperature, triple washing the obtained mononuclear cell fractions as a suspension in DMEM medium, while cell cultures were cultured before first passaging in DMEM medium containing 20% serum tissue, then in DMEM medium containing 10% FCS, after which the SCLC culture is passaged onto the surface of the multifunctional, biocompatible, non-resorbable coating of MBNP hybrid implant, which is a porous polytetrafluoroethylene membrane with pore sizes 200-500 μm, while MBNP is doped with M- Ca-PCON or M-Ca-CON, where M is a metal selected from the series including Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, 24 hours after passaging the surface of MBNP, the culture medium is changed to osteogenic and osteogenic stimulation is performed using the following while remaining: DMEM medium 10% FCS, 0.01 M 1,25-dihydroxyvitamin D 3 (Sigma), 50 pM ascorbate-2-phosphate (Sigma), 10 mM β-glycerophosphate (Sigma), when changing the medium every 3 days , then the cells are cultured in an induction medium for 14 days, after which the resulting bioengineered construct is used as intended.

В качестве металла покрытие содержит преимущественно титан.As a metal, the coating mainly contains titanium.

В качестве критериев для оценки адекватности полученных в экспериментах in vitro образцов биоинженерной конструкции (гибридных имплантатов) в исследовании служат:The following criteria serve as criteria for assessing the adequacy of in vitro bioengineered constructs (hybrid implants) obtained in experiments:

- интенсивность роста культуры клеток, высеянных из жировой ткани реципиента (для данного изобретения - кролика);- the growth rate of the culture of cells seeded from the adipose tissue of the recipient (for this invention, the rabbit);

- гетерогенность клеточной культуры, включающей предшественники костных клеток;- heterogeneity of cell culture, including bone cell precursors;

- фенотипические характеристики клеток культуры (признаки преостеобластической дифференцировки).- phenotypic characteristics of culture cells (signs of preosteoblastic differentiation).

Отработку способа получения биоинженерной конструкции и ее испытания проводили на пористых образцах (мембранах) гибридного имплантата на основе пористого ПТФЭ с МБНП, содержащего Ti-Ca-C-O-N (размер пор ПТФЭ составляет 200 мкм) либо Ti-Ca-P-C-O-N (размер пор ПТФЭ составляет 500 мкм), пассированных клеточной популяцией.The development of the method for producing the bioengineered design and its testing were carried out on porous samples (membranes) of a hybrid implant based on porous PTFE with MBNP containing Ti-Ca-CON (PTFE pore size is 200 μm) or Ti-Ca-PCON (PTFE pore size is 500 μm), passaged by the cell population.

С целью определения эффективности адгезии и роста клеток культуры на поверхности биоинженерных конструкций обеих групп наблюдений оценивали результаты эксперимента in vitro с помощью люминисцентной микроскопии и СЭМ.In order to determine the efficiency of adhesion and growth of culture cells on the surface of bioengineered structures of both observation groups, the results of an in vitro experiment were evaluated using luminescent microscopy and SEM.

Для оценки остеогенной дифференцировки клетки на МБНП сажали в концентрации 2,5×104 клеток/см2 в 6-луночные планшеты и культивировали до достижения конфлюэнтного слоя. Затем среду культивирования меняли на остеогенную. Дифференцировку клеток оценивали через 14 суток по гистологической окраске на активность щелочной фосфатазы (NBT/BCIP Stock solution (Roche Diagnostics), окраске на кальцификацию внеклеточного матрикса (Alizarin Red S (Sigma)) и иммуногистохимическому окрашиванию на экспрессию остеогенных белков.To evaluate osteogenic differentiation, cells on MBNP were planted at a concentration of 2.5 × 10 4 cells / cm 2 in 6-well plates and cultured until a confluent layer was reached. Then the culture medium was changed to osteogenic. Cell differentiation was evaluated after 14 days by histological staining for alkaline phosphatase activity (NBT / BCIP Stock solution (Roche Diagnostics), extracellular matrix calcification staining (Alizarin Red S (Sigma)) and immunohistochemical staining for osteogenic protein expression.

Для определения экспрессии клетками культуры различных белков использовалось иммунногистохимическое окрашивание антителами: антиостеопонтин, антиостеокальцина, антиостеонектин (Chemicon).To determine the expression of various proteins by cells of the culture, immunohistochemical staining with antibodies was used: antiosteopontin, antiosteocalcin, antiosteonectin (Chemicon).

Клетки промывали фосфатно-солевым буфером (ФСБ) 3 раза, затем фиксировали в 4%-ном растворе параформальдегида (Fluka) в течение 15 мин. Далее клетки отмывали от фиксатора в течение 50 мин в 4-х сменах ФСБ (рН 7.4). Антитела разводили блокирующим раствором следующего состава: 5% бычьего сывороточного альбумина (Sigma), 0,1% Trition Х-100 (Sigma) на 1М растворе ФСБ в концентрациях, рекомендованных производителем антител. Препараты инкубировали с антителами в течение 12-16 часов при +4°С. Окрашивание вторыми антителами - Alexa-488 или Alexa-546 (Molecular Probe) проводили согласно инструкции производителя.Cells were washed 3 times with phosphate-buffered saline (PBS), then fixed in a 4% solution of paraformaldehyde (Fluka) for 15 minutes. Then, the cells were washed from the fixative for 50 min in 4 FSB shifts (pH 7.4). Antibodies were diluted with a blocking solution of the following composition: 5% bovine serum albumin (Sigma), 0.1% Trition X-100 (Sigma) in 1M FSB solution at concentrations recommended by the antibody manufacturer. The drugs were incubated with antibodies for 12-16 hours at + 4 ° C. Staining with second antibodies, Alexa-488 or Alexa-546 (Molecular Probe), was performed according to the manufacturer's instructions.

Результаты культивирования клеток, изученные с помощью люминисцентной микроскопии на биоинженерной конструкции с наноструктурированным МБНП, легированным элементами Ti-Ca-C-O-N или Ti-Ca-P-C-O-N через 14 суток после культивирования в остеогенной среде, показали, что поверхность имплантатов была покрыта биопленкой из фибропластоподобных клеток. На образце конструкции без покрытия клетки на поверхности имплантата отсутствуют.The results of cell cultivation, studied using luminescent microscopy on a bioengineered structure with nanostructured MBNP doped with Ti-Ca-C-O-N or Ti-Ca-P-C-O-N elements 14 days after cultivation in osteogenic medium, showed that the surface of the implants was covered with a biofilm of fibroplast-like cells. In the uncoated sample, there are no cells on the surface of the implant.

На фиг.1 и 2 представлены электронограммы СЭМ биоинженерных конструкций на основе пористого ПТФЭ с МБНП, содержащим Ti-Ca-C-O-N (размер пор ПТФЭ составляет 200 мкм), фиг.1, и с МБНП, содержащим Ti-Ca-P-C-O-N (размер пор ПТФЭ составляет 500 мкм), фиг.2, пассированных клеточной популяцией.Figures 1 and 2 show electron diffraction patterns of SEM bioengineered structures based on porous PTFE with MBNP containing Ti-Ca-CON (pore size of PTFE is 200 μm), figure 1, and with MBNP containing Ti-Ca-PCON (pore size PTFE is 500 μm), FIG. 2, passaged by the cell population.

Исследования с использованием СЭМ показали, что на поверхности биоинженерных конструкций располагаются многочисленные, многоотросчатые, распластавшиеся фибробластоподобные клетки, наделенные цитологическими характеристиками (фиг.1 и 2), на которых видно их плотное расселения на поверхности конструкции. На поверхности контрольных образцов без покрытия клетки отсутствовали.SEM studies have shown that on the surface of bioengineered structures there are numerous, multi-spliced, expanded fibroblast-like cells endowed with cytological characteristics (Figs. 1 and 2), which show their dense settlement on the surface of the structure. No cells were present on the surface of the control samples without coating.

Контрольные опыты с окраской клеток на щелочную фосфатазу показали, что СКЖТ кролика после 14 суток культивирования в остеогенной среде на МБНП биоинженерной конструкции образуют многослойные участки, где усиливается экспрессия щелочной фосфатазы - положительная окраска на активность щелочной фосфатазы.Control experiments with staining cells for alkaline phosphatase showed that rabbit SLCT after 14 days of cultivation in an osteogenic medium on MBNP bioengineered constructs form multilayered areas where the expression of alkaline phosphatase is enhanced - a positive color for alkaline phosphatase activity.

Иммуногистохимический анализ экспрессии специфических белков остеогенеза выявил, что клетки находятся на начальных стадиях дифференцировки, поскольку обнаруживалась экспрессия остеопонтина и остеонектина. Экспрессия остеокальцина, позднего маркера остеогенной дифференцировки, отсутствовала.Immunohistochemical analysis of the expression of specific proteins of osteogenesis revealed that the cells are in the initial stages of differentiation, as the expression of osteopontin and osteonectin was detected. Expression of osteocalcin, a late marker of osteogenic differentiation, was absent.

При использовании в МБНП циркония и других металлов, указанных в формуле, были получены результаты близкие к титану.When using zirconium and other metals indicated in the formula in MBNP, results close to titanium were obtained.

Анализ полученных данных подтверждает технический результат предложенного изобретения. Совокупность признаков, характеризующая биоинженерную конструкцию, обусловливает положительный эффект культивирования стромальных клеток из жировой ткани на поверхности конструкции. Это заключение вытекает из сопоставления результатов культивирования клеток (биоинженерной конструкции с МБНП, легированного элементами Ti-Ca-C-O-N или Ti-Ca-P-C-O-N) и контрольной группах эксперимента: в основной группе обнаруживалось интенсивное заселение поверхности образцов клетками, в контрольной группе - оно отсутствовало. По условиям эксперимента высеянная на биоинженерной конструкции с МБНП культура клеток, подвергалась со вторых суток культивирования и по 14-е остеогенетическому коммитированию.Analysis of the obtained data confirms the technical result of the proposed invention. The set of features characterizing the bioengineered structure determines the positive effect of the cultivation of stromal cells from adipose tissue on the surface of the structure. This conclusion follows from a comparison of the results of cell cultivation (bioengineered design with MBNP doped with Ti-Ca-C-O-N or Ti-Ca-P-C-O-N elements) and the control groups of the experiment: intensive population of the surface of the samples with cells was detected in the main group, it was absent. According to the experimental conditions, the cell culture sown on a bioengineered construct with MBNP was subjected from the second day of cultivation and according to the 14th osteogenetic commit.

Для использования биоинженерной конструкции in vivo в опытах на животных были предварительно изучены фенотипические характеристики популяций клеток на МБНП поверхности конструкции с предшественниками костных клеток (коммитированные стромальные клетки).To use the in vivo bioengineered construct in animal experiments, the phenotypic characteristics of cell populations on MBNP surface of the construct with bone cell precursors (committed stromal cells) were previously studied.

Известно, что предшественники костных клеток и сами остеобласты наделены рядом специфических фенотипических характеристик (Полежаев Л.В. Замещение дефектов черепа регенерирующей костью // Вопр. Нейрохир., 1982, т.2, 53-56). Одной из них является экспрессия костного изофермента щелочной фосфатазы. Кроме того, в клетках-предшественниках остеогенной дифференцировки с помощью иммуногистохимических методов обнаруживаются остеопонтин, остеонектин и остеокальцин.It is known that bone cell precursors and osteoblasts themselves are endowed with a number of specific phenotypic characteristics (Polezhaev L.V. Replacement of skull defects with regenerating bone // Vopr. Neurokhir. 1982, v.2, 53-56). One of them is the expression of the bone isoenzyme of alkaline phosphatase. In addition, osteopontin, osteonectin, and osteocalcin are detected in progenitor cells of osteogenic differentiation using immunohistochemical methods.

Согласно полученным данным в клетках на поверхности образцов были обнаружены признаки экспрессии как щелочной фосфатазы, так и остеопонтина и остеонектина, однако реакция на остеокальцин была отрицательной.According to the data obtained, signs of expression of both alkaline phosphatase and osteopontin and osteonectin were found in the cells on the surface of the samples, but the reaction to osteocalcin was negative.

Таким образом, в экспериментах in vitro было показано, что биоинженерная конструкция из ПТФЭ с МБНП является адекватной основой для культивирования стромальных клеток из жировой ткани, а способ остеогенной стимуляции вызывает коммитирование этих клеток до стадии преостеобластов, в связи с чем можно говорить о достижении задачи предложенного изобретения, т.е. получен новый тип гибридного имплантата, названный как биоинженерная конструкция, отвечающий требованиям дальнейших биомедицинских испытаний в опытах in vivo на модели экспериментально воспроизведенных дефектов плоских костей, в частности свода черепа у животных.Thus, in vitro experiments showed that the bioengineered design of PTFE with MBNP is an adequate basis for the cultivation of stromal cells from adipose tissue, and the osteogenic stimulation method commits these cells to the stage of preosteoblasts, and therefore we can talk about achieving the objective proposed inventions, i.e. A new type of hybrid implant was obtained, named as a bioengineered design that meets the requirements of further biomedical tests in in vivo experiments on a model of experimentally reproduced defects of flat bones, in particular, the cranial vault in animals.

Claims (4)

1. Биоинженерная конструкция для закрытия костных дефектов с восстановлением в них костной ткани, представляющая собой гибридный имплантат в виде пористой мембраны из политетрафторэтилена с многофункциональным биосовместимым нерезорбируемым покрытием (МБНП), легированным элементами M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда Ti, Zr, Hf, Nb, Та, на поверхности которого пассированы аутогенные или аллогенные стромальные клетки, выделенные из жировой ткани или костного мозга.1. Bioengineering design for closing bone defects with the restoration of bone tissue, which is a hybrid implant in the form of a porous polytetrafluoroethylene membrane with a multifunctional biocompatible non-resorbable coating (MBNP) doped with M-Ca-PCON or M-Ca-CON elements, where M - a metal selected from the series Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, on the surface of which autologous or allogeneic stromal cells isolated from adipose tissue or bone marrow are passaged. 2. Биоинженерная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что имплантат имеет размер пор 200-500 мкм.2. Bioengineering design according to claim 1, characterized in that the implant has a pore size of 200-500 microns. 3. Биоинженерная конструкция по п.1, отличающаяся тем, что покрытие в качестве легирующего металла содержит преимущественно титан.3. Bioengineering design according to claim 1, characterized in that the coating as an alloying metal contains mainly titanium. 4. Способ получения биоинженерной конструкции по пп.1-3, заключающийся в том, что выделяют стромальные клетки из жировой ткани или костного мозга реципиента, в том числе предшественники костных клеток, с последующим культивированием из них клеточной популяции, которое включает последовательно: промывку ткани в солевом растворе с антибиотиками, измельчение ткани, инкубирование в растворе 0,1% коллагеназы при 37°С и постоянном перемешивании в течение 90 мин, ингибирование выделенного фермента добавлением 10%-ной фетальной телячьей сыворотки, отделение зрелых адипоцитов центрифугированием при 300 g в течение 10 мин, отмывку полученного клеточного осадка от фермента в среде DMEM (Sigma), содержащей 10% ФТС, фильтрование полученной суспензии клеток через нейлоновый фильтр и ее отделение центрифугированием при 400 g в течение 30 мин при комнатной температуре, тройную отмывку полученной фракции мононуклеарных клеток в виде суспензии в среде DMEM, при этом культуры клеток культивируют до первого пассирования в среде DMEM, содержащей 20% сыворотки, затем в среде DMEM, содержащей 10% ФТС, после чего культуры СКЖТ пассируют на поверхность МБНП гибридного имплантата, представляющего собой пористую мембрану из политетрафторэтилена с размерами пор 200-500 мкм, при этом МБНП легировано элементами M-Ca-P-C-O-N или M-Ca-C-O-N, где М - металл, выбранный из ряда Ti, Zr, Hf, Nb, Та, через 24 ч после пассирования поверхности МБНП среду культивирования меняют на остеогенную и проводят остеогенную стимуляцию с использованием следующего состава: среда DMEM, 10% ФТС, 0,01 мкМ 1,25-дигидроксивитамин D3 (Sigma), 50 мкМ аскорбат-2-фосфат (Sigma), 10 мМ β-глицерофосфат (Sigma), при смене среды каждые 3 суток, затем клетки культивируют в индукционной среде в течение 14 дней, после чего полученную биоинженерную конструкцию используют по назначению. 4. A method of obtaining a bioengineered construct according to claims 1 to 3, which consists in the fact that stromal cells are isolated from the adipose tissue or bone marrow of the recipient, including bone cell precursors, followed by cultivation of the cell population from them, which includes: washing the tissue in saline with antibiotics, tissue grinding, incubation in a solution of 0.1% collagenase at 37 ° C and constant stirring for 90 min, inhibition of the isolated enzyme by adding 10% fetal calf serum, from division of mature adipocytes by centrifugation at 300 g for 10 min, washing the obtained cell pellet from the enzyme in DMEM (Sigma) containing 10% FCS, filtering the resulting cell suspension through a nylon filter and separating it by centrifugation at 400 g for 30 min at room temperature, triple washing the obtained fraction of mononuclear cells in the form of a suspension in DMEM medium, while cell cultures were cultured before first passaging in DMEM medium containing 20% serum, then in DMEM medium containing 10% FCS, after which SKLT pass on the surface of MBNP hybrid implant, which is a porous membrane of polytetrafluoroethylene with pore sizes of 200-500 μm, while MBNP is doped with elements M-Ca-PCON or M-Ca-CON, where M is a metal selected from the series Ti, Zr , Hf, Nb, Ta, 24 hours after passaging the surface of MBNP, the culture medium is changed to osteogenic and osteogenic stimulation is performed using the following composition: DMEM medium, 10% FCS, 0.01 μM 1,25-dihydroxyvitamin D 3 (Sigma), 50 μM ascorbate-2-phosphate (Sigma), 10 mm β-glycerophosphate (Sigma), when changing the medium every 3 days, then the cells are cultured in an induction medium for 14 days, after which the resulting bioengineered construct is used as intended.
RU2009148062/15A 2009-12-24 2009-12-24 Bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis and method for producing said structure RU2416434C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009148062/15A RU2416434C1 (en) 2009-12-24 2009-12-24 Bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis and method for producing said structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009148062/15A RU2416434C1 (en) 2009-12-24 2009-12-24 Bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis and method for producing said structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2416434C1 true RU2416434C1 (en) 2011-04-20

Family

ID=44051262

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009148062/15A RU2416434C1 (en) 2009-12-24 2009-12-24 Bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis and method for producing said structure

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2416434C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2482881C1 (en) * 2012-05-22 2013-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российский онкологический научный центр имени Н.Н. Блохина" Российской академии медицинских наук (ФГБУ "РОНЦ им. Н.Н. Блохина" РАМН) Method for producing bioengineered construct for bone defect replacement
RU2482882C1 (en) * 2012-03-28 2013-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российский онкологический научный центр имени Н.Н. Блохина" Российской академии медицинских наук (ФГБУ "РОНЦ им. Н.Н. Блохина" РАМН) Bioimplant with multifunctional bioactive nanostructured coating
CN109722660A (en) * 2018-12-28 2019-05-07 陕西科技大学 A kind of calcium analysis tantalum oxide nanorod structure bioactivity coatings and preparation method thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2482882C1 (en) * 2012-03-28 2013-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российский онкологический научный центр имени Н.Н. Блохина" Российской академии медицинских наук (ФГБУ "РОНЦ им. Н.Н. Блохина" РАМН) Bioimplant with multifunctional bioactive nanostructured coating
RU2482881C1 (en) * 2012-05-22 2013-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российский онкологический научный центр имени Н.Н. Блохина" Российской академии медицинских наук (ФГБУ "РОНЦ им. Н.Н. Блохина" РАМН) Method for producing bioengineered construct for bone defect replacement
CN109722660A (en) * 2018-12-28 2019-05-07 陕西科技大学 A kind of calcium analysis tantalum oxide nanorod structure bioactivity coatings and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2428140C2 (en) Method of tooth formation, dentition and method of tissue formation
US6911202B2 (en) Cosmetic repair using cartilage producing cells and medical implants coated therewith
RU2462256C2 (en) Method for making tooth and tooth made by such method
Roffel et al. Evaluation of a novel oral mucosa in vitro implantation model for analysis of molecular interactions with dental abutment surfaces
JP7370370B2 (en) Surface topography to alter the physiology of living cells
Salehi et al. Efficient mineralization and osteogenic gene overexpression of mesenchymal stem cells on decellularized spinach leaf scaffold
US20090029322A1 (en) Use of Stem Cells, Method of Tissue Engineering, Use of Dental Tissues and Tooth Biological Substitute
Li et al. Improved osteoblast adhesion and osseointegration on TiO2 nanotubes surface with hydroxyapatite coating
Bücheler et al. Tissue engineering in otorhinolaryngology
JP2003144139A (en) Method for bioadhesion of cell to surface three- dimensional structure
RU2521195C2 (en) Method for dental restoration and method for making restoration material
RU2416434C1 (en) Bioengineered structure for bony defect closure and osteogenesis and method for producing said structure
RU2449755C2 (en) Method of eliminating bone defects with restoration of bone tissue in them
JPWO2004052418A1 (en) Bone-cartilage tissue regeneration implant
Tsukanaka et al. Evaluation of bioactivity of alkali-and heat-treated titanium using fluorescent mouse osteoblasts
JP2007053906A (en) Method for purifying three-dimensional cultured material and purified three-dimensional cultured material
WO2023167082A1 (en) Method for producing proliferated hair follicle mesenchymal cells, and use thereof
Kupryakhin et al. Potential introduction of cell technologies to improve dental implant surface preparing
RU2523559C2 (en) Method for tooth creation
JP3897717B2 (en) Cell transplantation treatment material and method for producing the same
JP2005278711A (en) Production of functional artificial tissue using honeycomb filter
JP2008307186A (en) Jaw bone implantation material used for regenerating jaw bone, and method of manufacturing the same
Harrnand Human cell culture and characterization of cell/biomaterial interface
Hakki et al. Periodontal ligament cell behavior on different titanium surfaces
RU157799U1 (en) IMPLANT FOR SUBSTITUTION AND PLASTY OF BONE AND CARTILAGE TISSUES

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111225