RU2657611C1 - Biocompatible nanomaterial for the laser restoration of the integrity of the dissected biological tissues - Google Patents

Biocompatible nanomaterial for the laser restoration of the integrity of the dissected biological tissues Download PDF

Info

Publication number
RU2657611C1
RU2657611C1 RU2017140558A RU2017140558A RU2657611C1 RU 2657611 C1 RU2657611 C1 RU 2657611C1 RU 2017140558 A RU2017140558 A RU 2017140558A RU 2017140558 A RU2017140558 A RU 2017140558A RU 2657611 C1 RU2657611 C1 RU 2657611C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
carbon nanotubes
nanomaterial
solder
bio
Prior art date
Application number
RU2017140558A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леван Павлович Ичкитидзе
Александр Юрьевич Герасименко
Ирина Борисовна Римшан
Наталья Николаевна Журбина
Виталий Маркович Подгаецкий
Сергей Васильевич Селищев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Priority to RU2017140558A priority Critical patent/RU2657611C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2657611C1 publication Critical patent/RU2657611C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K38/00Medicinal preparations containing peptides
    • A61K38/16Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof
    • A61K38/17Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans
    • A61K38/38Albumins
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K38/00Medicinal preparations containing peptides
    • A61K38/16Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof
    • A61K38/17Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans
    • A61K38/39Connective tissue peptides, e.g. collagen, elastin, laminin, fibronectin, vitronectin, cold insoluble globulin [CIG]
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K41/00Medicinal preparations obtained by treating materials with wave energy or particle radiation ; Therapies using these preparations
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Gastroenterology & Hepatology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to the field of laser medicine and, specifically to reconstructive surgery. Biocompatible nanomaterial for laser restoration of the integrity of dissected biological tissues is described, containing an aqueous dispersion basis of the albumin protein, carbon nanotubes and a medical dye – indocyanine, characterized in that carbon nanotubes are multilayered carbon nanotubes and further contains bovine collagen protein with the following component ratio, mass%: albumin of 15 to 20, multilayered carbon nanotubes of 0.02 to 0.2, medical dye – indocyanine – of 0.005 to 0.01, bovine collagen protein in a concentration of 0.3 to 3, distilled water – the rest.
EFFECT: nanomaterial for laser welding has a high efficiency achieved due to high tensile strength of the laser weld, long shelf life and low cost.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

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.The invention relates to the field of laser medicine and, in particular, to reconstructive surgery. The invention is intended for laser restoration of the integrity of dissected biological tissues, that is, for laser welding.

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).Existing traditional methods for restoring tissue integrity using suture materials, staplers, staples, adhesive compositions and other means have several disadvantages [1]. For example, low strength and leakage of the joint (seam).

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.A new direction in restoring tissue integrity is laser welding. In this case, special biocompatible materials are used - bio-solders, and laser radiation. By laser welding, a strong connection of parts of biological tissues is formed, that is, a so-called laser seam (LS) is created. Laser welding of biological tissues has potential advantages in surgery: tightness of the joint, quick healing of wounds, short time of surgical intervention, low response to foreign bodies, low risk of aneurysm during operations on arteries, reduced likelihood of fibrosis or its complete absence, very low probability of development stenosis.

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.One of the main and important elements of laser welding is bio-solder. An aqueous dispersion of bovine serum albumin (BSA) is often used as a solder. In the process of laser welding, the liquid form of bio-solder evaporates and a strong BSA seam is formed at the junction of biological tissues.

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].It is known that bio-solder for laser welding based on an aqueous dispersion of BSA makes it possible to realize tensile strength LS ~ 0.05 kPa (pig skin) [2]. Using the same solder during welding on the dog’s intestines, a laser weld strength of ~ 0.43 kPa was achieved [3]. However, such strength values are unsatisfactory, since they are several orders of magnitude inferior to the strength of the joints obtained by traditional surgical methods [4].

Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают уникальными свойствами: высокая прочность, удельная проводимость, теплопроводность, оптическая прозрачность и др.Carbon nanotubes (CNTs) have unique properties: high strength, specific conductivity, thermal conductivity, optical transparency, etc.

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].Composite nanomaterials, which include CNTs in a small percentage (<2-3%), also acquire indicators that cannot be achieved in other cases. New or substantially improved properties are acquired by nanomaterials under the influence of laser radiation. For example, strong biocompatible nanomaterials are formed under the action of laser radiation on water-protein dispersions containing CNTs [5]. Inside the light (porous) bulk nanomaterial with a BSA matrix and a CNT filler, a carbon nanotube framework is formed under the action of laser radiation, which causes a significant increase in the strength of the resulting nanomaterial. In particular, the BSA / CNT nanomaterial containing less than 0.1 wt. % CNTs obtained using laser technology and nanotechnology have a strength several times higher than BSA. Moreover, in the BSA / CNT nanomaterial, cells can grow and multiply, which contributes to the regeneration of biological tissues [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].Also, the aqueous dispersion of the composite BSA / CNT nanomaterial can serve as a bio-solder for laser welding of biological tissues. Under the action of laser radiation, a BSA / CNT bio-solder forms a nanotube skeleton in a protein matrix, similar to the formation of the same skeleton in a bulk BSA / CNT composite nanomaterial. Therefore, the obtained LS has the same strength properties as the bulk composite BSA / CNT nanomaterial. In laser welding, a bio-solder composed of BSA and multilayer CNTs (MWCNTs), that is, a bio-solder made of BSA / MWCNTs, allows producing LS with very high values of absolute (~ 1 MPa) and relative strength (25-30%) 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).Known bio-solder used in the method of laser welding of biological tissues, containing various proteins, including BSA, acting as a binder, as well as fillers from MWNTs and surfactants [7]. Laser welding using the proposed aqueous dispersion of BSA / MWNT bio-solder requires a high radiation power (tens of watts) and the welding process takes a long time (several minutes).

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.Closest to the proposed invention is bio-solder containing an aqueous dispersion base of albumin protein (bovine serum albumin, BSA), single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and medical dye-indocyanine green (ICC), with the following ratio of components: albumin - 20-25 wt. %, single-walled carbon nanotubes - 0.02 ÷ 0.05 wt. %, green indocyanin - 0.01 wt. %, distilled water - the rest [8]. The proposed bio-solder contains SWCNTs, which, after preparation (within a few hours), quickly aggregate in the form of bundles or agglomerates that are partially decontaminated. Consequently, the aqueous dispersion of the BSA / SWCNT / ICZ composite nanomaterial becomes more transparent for laser radiation (laser radiation is not efficiently absorbed), therefore, it is necessary to increase the total absorbed radiation energy and the time of the laser welding process.

Задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении прочности соединения рассеченных биологических тканей, увеличении времени хранения наноматериала, а также уменьшения его себестоимости.The objective of the invention is to increase the bond strength of dissected biological tissues, increase the storage time of the nanomaterial, as well as reduce its cost.

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.The indicated technical problem is solved in that a biocompatible nanomaterial containing an aqueous dispersion base — albumin protein, carbon nanotubes, a medical dye — Indocyanin green, additionally contains bovine collagen protein in a concentration in the range from 0.3 to 3 wt. % The essence of the invention lies in the fact that during laser welding under the influence of laser radiation on bio-solder, a strong structure (nanocomposite material) of the laser weld is formed during the evaporation of the liquid component of the material. At the same time, a framework of carbon nanotubes is formed in a nanostructured protein matrix. The addition of collagen to the protein composition along with other components increases the strength of the laser seam and reduces the cost of bio-solder, and the addition of MWCNTs increases its shelf life.

Сформированный нанокомпозитный каркас представляет собой аналог естественной биологической матрицы, в которой могут обеспечиваться условия самоорганизации клеточного материала восстанавливаемой биологической ткани.The formed nanocomposite skeleton is an analogue of a natural biological matrix in which the conditions of self-organization of cellular material of the restored biological tissue can be provided.

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.Laser welding of dissected biological tissues using the proposed invention is carried out by stepwise moving the laser beam along the surface of the biological tissue pretreated with bio solder from the proposed nanomaterial, or stepwise moving the pretreated biological tissue perpendicular to the direction of the laser beam.

Рассмотрим пример приготовления биоприпоя и проведения лазерной сварки. Первая стадия заключается в следующем:Consider an example of bio-solder preparation and laser welding. The first stage is as follows:

- 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.- MWCNTs are added to distilled water at a concentration of 0.02-0.2 wt. % Next, the resulting solution is stirred using a magnetic stirrer for 15-30 minutes.

- Полученный раствор помещают в ультразвуковой гомогенизатор при мощности от 25 до 33 Вт, температуре ≤60°С и времени гомогенизирования от 30 до 90 мин.- The resulting solution is placed in an ultrasonic homogenizer at a power of 25 to 33 W, a temperature of ≤60 ° C and a homogenization time of 30 to 90 minutes.

- В гомогенизированный водный раствор МУНТ порционно добавляют БСА в расчете концентрации 15-20 мас. %.- BSA is added portionwise to a homogenized aqueous solution of MWCNTs in a calculation of a concentration of 15-20 wt. %

- В водный раствор БСА/МУНТ добавляют коллаген в расчете концентрации 0,3-3 мас. %.- In an aqueous solution of BSA / MWCNT add collagen in the calculation of the concentration of 0.3-3 wt. %

- В полученный раствор добавляют индоцианин зеленый в расчете концентрации 0,005-0,01 мас. %.- Indocyanin green is added to the resulting solution in the calculation of the concentration of 0.005-0.01 wt. %

- Полученный раствор перемешивается на магнитной мешалке в течение 2-2,5 ч.- The resulting solution is stirred on a magnetic stirrer for 2-2.5 hours

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.At the second stage, bio-solder is applied to the area of dissected biological tissue. For this, microsyringes or a specialized biomaterial feeding (dosing) system are used. The solder consumption per weld length is approximately 1 ml / cm.

На третьей стадии фиксируются края рассеченной биологической ткани на максимально близком расстоянии относительно друг друга. Для этого используются стягивающие конструкции и/или хирургические щипцы.At the third stage, the edges of the dissected biological tissue are fixed as close as possible relative to each other. For this, tightening structures and / or surgical forceps are used.

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.In the fourth stage, a laser effect occurs on the area of the dissected biological tissue. For this, a laser radiation source with a wavelength in the range from 800 to 820 nm is used. The power of laser radiation is in the range of 2-3 watts. The exposure process is carried out by stepwise moving the laser beam along the surface of the biological tissue or stepwise moving the biological tissue perpendicular to the direction of the laser beam. The generation mode is continuous.

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.Table 1 shows the results of measurement (in vitro) of the tensile strength of the seam obtained by laser welding using the example of cartilaginous tissue of beef trachea. Here are the absolute tensile strength and relative tensile strength, defined as the ratio of LS strength to the strength of whole cartilage tissue. It is seen that with an increase in the concentration of collagen, the strength of the laser seam increases. This is due to the fact that collagen is a much stronger material than BSA; therefore, when it is partially replaced by collagen in an aqueous dispersion of bio-solder, the strength of the laser seam increases.

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.However, in BSA / MWCNT / ICZ / collagen bio-solder at collagen concentrations of more than 3 wt. % LS strength is deteriorating. In fact, collagen is a poorly soluble material in water, and at a high concentration (> 3 wt.%) In the dispersion accumulations of collagen fibers form. As a result, the dispersion loses homogeneity. It is not possible to homogenize it again using an ultrasonic (ultrasound) dispersant, because under the influence of the ultrasonic dispersant in the dispersion, protein denaturation occurs and bio-solder loses its important functional property: to promote cell multiplication, in addition, the uniformity of its structure is impaired and mechanical properties are deteriorated. In BSA / MWCNTs / ICZ / collagen at concentrations ≤0.3 wt. % of collagen, the effect of the latter is imperceptible due to a slight change in the total composition of proteins: BSA + collagen.

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.With an increase in the concentration of MWCNTs and ICZ in the dispersion of bio-solder, the strength of the laser weld is correlated. For example, in the case of an aqueous dispersion of bio-solder in the composition of 20 wt. % BSA / 0.2 wt. % MWCNTs / 0.01 wt. % ICZ / 3 wt. % collagen, for LH the absolute tensile strength of ~ 1.77 MPa is realized, the relative tensile strength of ~ 52% with the absolute tensile strength of ~ 3.4 MPa for continuous cartilage of beef trachea. It can be seen that this figure is 30% higher in comparison with the relative tensile strength of the laser seam achieved in the prototype.

Figure 00000001
Figure 00000001

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.In FIG. Figure 1 shows a typical laser weld pattern obtained with a JEOL JSM-6010 scanning electron microscope. It can be seen that the seam looks like a uniform strip connecting the two parts of the fabric. It is continuous, hermetically connects tissues and has a width of about 35-40 microns. In some cases, the width of the laser seam reached 80 μm.

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.Thus, in the case of adding collagen to the biosolders of the BSA / MWCNT / ICZ composition during laser welding, the mechanical tensile strength of the laser seam increases, that is, high bond strength of biological tissues is ensured.

Важными преимуществами биоприпоя, изготовленного предложенным способом, относительно известных материалов и прототипа являются [3, 4, 6, 7]:Important advantages of bio-solder made by the proposed method, relative to the known materials and prototype are [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;- its matrix consists of biological materials (albumin protein, collagen) and of fillers in the form of multilayer carbon nanotubes and the medical dye Indocyanin green, and, in general, the nanomaterial is biocompatible;

- 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;- the degree of safety of the proposed bio-solder-nanomaterial is higher, since it includes MWCNTs, and the bio-solder-nanomaterial considered in the prototype contains SWCNTs, and its degree of safety is lower due to the high activity of SWCNTs;

- 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%);- with the composition of 20 wt. % BSA / 0.2 wt. % MWCNTs / 0.01 wt. % ICZ / 3 wt. % collagen for cartilage tissue realized the relative strength of the laser suture ~ 52%, which is higher than that achieved in the prototype (~ 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;- when storing the proposed BSA / MWCNT / ICZ / collagen bio-solder for one week at room temperature (20-25 ° С) or in a household refrigerator (4 ° С) for one month its properties practically do not change, while bio-solder , considered in the prototype, significantly loses its properties when stored at room temperature for more than 2 hours;

- 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;- in the proposed bio-solder, the proportion of BSA was reduced by replacing it with collagen, and SWCNTs were replaced by MWCNTs, which significantly reduces the cost of bio-solder, considered in the prototype, due to the high cost of BSA by more than an order of magnitude unlike collagen, and also because of the high cost of SWCNTs relative to MWCNT;

- 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.- the laser seam formed using the proposed bio-solder is homogeneous and airtight, has a small width of ~ 35-80 microns, and after reunification (healing) of the tissue parts is practically not noticeable.

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.The advantage of bio-solder for laser welding obtained by the proposed method is its high efficiency, achieved due to the high tensile strength of the laser weld, a high degree of safety of carbon nanotubes, a long shelf life and low cost of nanomaterial.

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.Thus, the problem posed in this patent application has been solved. A method for the preparation of bio-solder for laser welding based on the biological material of albumin, collagen and filler from multilayer carbon nanotubes and the medical dye Indocyanin green is proposed. Bio-solder, which is a nanomaterial, is biocompatible.

Источники информацииInformation sources

1. Лазеры в хирургии. Под ред. O.K. Скобелкина. М.: Медицина, 1989. - 256 с.1. Lasers in surgery. Ed. O.K. Skobelkin. M .: Medicine, 1989 .-- 256 p.

2. Forer В., Vasilyev Т., Brosh Т., et al. Lasers in Surgery and Medicine, vol. 9999, 1 (2005).2. Forer B., Vasilyev T., Brosh T., 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).3. Simhon D., Halpern M., Brosh T., 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.4. Hench L., Jones D. Biomaterials, artificial organs, and tissue engineering. M .: Technosphere. 2007 .-- 304 s.

5. Герасименко А.Ю., Ичкитидзе Л.П., Подгаецкий В.М., Пономарева О.В., Селищев С.В. // Известия вузов. Электроника, 2010. №4. С. 33-41.5. Gerasimenko A.Yu., Ichkitidze L. P., Podgaetsky V. M., Ponomareva O. V., Selishchev S. V. // News of universities. Electronics, 2010. No. 4. S. 33-41.

6. Bobrinetskiy I., Gerasimenko A., Ichkitidze L. et al. American Journal of Tissue Engineering and Stem Cell, 1(1), 27-38 (2014).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 №2425700.7. RF patent No. 2425700.

8. Заявка РФ на изобретение №2016150636, решение о выдаче патента от 21.09.2017 г. (прототип).8. RF application for invention No. 2016150636, decision on the grant of a patent dated 09.21.2017 (prototype).

Claims (2)

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.%:A biocompatible nanomaterial for laser restoration of the integrity of dissected biological tissues, containing an aqueous dispersion base of albumin protein, carbon nanotubes and a medical dye, Indocyanine, characterized in that multilayer carbon nanotubes are used as carbon nanotubes and additionally contains bovine collagen protein in the following ratio of components, wt. %: альбуминalbumen от 15 до 20from 15 to 20 многослойные углеродные нанотрубкиmultilayer carbon nanotubes от 0,02 до 0,2from 0.02 to 0.2 медицинский краситель - индоцианинmedical dye - indocyanin от 0,005 до 0,01from 0.005 to 0.01 бычий белок коллагена в концентрацииcollagen protein in concentration от 0,3 до 3from 0.3 to 3 дистиллированная водаdistilled water остальноеrest
RU2017140558A 2017-11-22 2017-11-22 Biocompatible nanomaterial for the laser restoration of the integrity of the dissected biological tissues RU2657611C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140558A RU2657611C1 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Biocompatible nanomaterial for the laser restoration of the integrity of the dissected biological tissues

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017140558A RU2657611C1 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Biocompatible nanomaterial for the laser restoration of the integrity of the dissected biological tissues

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2657611C1 true RU2657611C1 (en) 2018-06-14

Family

ID=62620096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017140558A RU2657611C1 (en) 2017-11-22 2017-11-22 Biocompatible nanomaterial for the laser restoration of the integrity of the dissected biological tissues

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2657611C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2254094C1 (en) * 2003-11-12 2005-06-20 Сухонос Юрий Анатольевич Method for making transcervical intratubular sterilization
RU2423570C1 (en) * 2010-07-16 2011-07-10 Галина Александровна Пазухина Method to produce cellulose from straw
RU2636222C1 (en) * 2016-12-22 2017-11-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Bio-solder for laser welding of biological tissues

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2254094C1 (en) * 2003-11-12 2005-06-20 Сухонос Юрий Анатольевич Method for making transcervical intratubular sterilization
RU2423570C1 (en) * 2010-07-16 2011-07-10 Галина Александровна Пазухина Method to produce cellulose from straw
RU2636222C1 (en) * 2016-12-22 2017-11-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Bio-solder for laser welding of biological tissues

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Decellularized extracellular matrix-based bio-ink with enhanced 3D printability and mechanical properties
Demirtaş et al. A bioprintable form of chitosan hydrogel for bone tissue engineering
Wang et al. Multifunctional nanoengineered hydrogels consisting of black phosphorus nanosheets upregulate bone formation
Kim et al. Shear-induced alignment of collagen fibrils using 3D cell printing for corneal stroma tissue engineering
DiMarco et al. Multifunctional materials through modular protein engineering
Sadat-Shojai et al. 3-Dimensional cell-laden nano-hydroxyapatite/protein hydrogels for bone regeneration applications
Jing et al. Carbon nanotube reinforced collagen/hydroxyapatite scaffolds improve bone tissue formation in vitro and in vivo
Soleymani Eil Bakhtiari et al. Polymethyl methacrylate-based bone cements containing carbon nanotubes and graphene oxide: An overview of physical, mechanical, and biological properties
MacDonald et al. Collagen–carbon nanotube composite materials as scaffolds in tissue engineering
Delgado et al. Acetic acid and pepsin result in high yield, high purity and low macrophage response collagen for biomedical applications
WO2022034462A1 (en) Extrudable photocrosslinkable hydrogel and method for its preparation
US20030014126A1 (en) Graft prosthesis devices containing renal capsule collagen
CN101253193A (en) Modified spider silk proteins
Kanungo et al. Characterization of mineralized collagen–glycosaminoglycan scaffolds for bone regeneration
Da Silva et al. Nanostructured 3-D collagen/nanotube biocomposites for future bone regeneration scaffolds
Boso et al. Porcine decellularized diaphragm hydrogel: a new option for skeletal muscle malformations
RU2657611C1 (en) Biocompatible nanomaterial for the laser restoration of the integrity of the dissected biological tissues
Fan et al. Mechanics, degradability, bioactivity, in vitro, and in vivo biocompatibility evaluation of poly (amino acid)/hydroxyapatite/calcium sulfate composite for potential load-bearing bone repair
WO2013002953A1 (en) Membrane-scaffold composites for tissue engineering applications
Ma et al. Mechanical performance and in vivo bioactivity of functionally graded PEEK–HA biocomposite materials
RU2636222C1 (en) Bio-solder for laser welding of biological tissues
Hussain et al. Multifaceted tannin crosslinked bioinspired dECM decorated nanofibers modulating cell–scaffold biointerface for tympanic membrane perforation bioengineering
Rimshan et al. Biocompatible nanomaterial for restoration of continuity of dissected biological tissues
Birkelbach et al. In vitro feasibility analysis of a new sutureless wound-closure system based on a temperature-regulated laser and a transparent collagen membrane for laser tissue soldering (LTS)
Dutta et al. Trackable and highly fluorescent nanocellulose-based printable bio-resins for image-guided tissue regeneration