Глава 1. Основы дизайна биоматериалов
Понятие «биоматериал» имеет широкий круг определений, которые варьируют в зависимости от области знаний. В медицине под биоматериалами могут подразумеваться жидкости и ткани живого организма, но в рамках регенеративной медицины и тканевой инженерии, о которых идет речь в настоящем учебнике, под биоматериалами подразумевают биосовместимые материалы, которые могут выступать в качестве носителя для загрузки/высвобождения биоактивных соединений и/или в качестве матрикса-носителя для клеток, в том числе в процессе имплантации in vivo. Основным типом биоматериалов являются полимеры, но могут применяться и неогранические соединения (фосфаты кальция, силикаты и т.д.). Полимерный матрикс (скаффолд, scaffold) является одним из ключевых компонентов ТИК и призван обеспечить каркас/подложку для адгезии, роста клеток и формирования новой ткани. Матрикс может также дополнительно содержать биоактивные соединения для регулирования процессов регенерации тканей, но основным компонентом матрикса является сама полимерная конструкция.
Требования к матриксам определяются их функциями в зависимости от конкретного применения, но в базовом варианте они должны отвечать следующим критериям: биосовместимость, способность к биорезорбции, заданная трехмерная архитектура, деформационно-прочностные свойства, технологичность и гибкость методики формования изделия под параметры каждого конкретного пациента, то есть форму ткани/органа, который он должен заместить. Значительная часть свойств матрикса определяется его составом и структурой, поэтому создание «идеального» матрикса является поиском баланса между характеристиками используемого биоматериала и формой/архитектурой, что, в свою очередь, в значительной мере определяется методом формования. В зависимости от конкретного применения матрикс может быть в форме частиц, нетканых материалов, макропористых структур и т.д.
В рамках настоящего раздела мы сосредоточимся на основных типах и характеристиках полимеров, которые применяют для создания ТИК, а наиболее перспективные и высокотехнологичные подходы к формированию на их основе матриксов более подробно рассмотрены в разделе III. Исходя из требований к биосовместимости и способности к биорезорбции в настоящее время уже определен диапазон биоматериалов, которые используют в тканевой инженерии. В большинстве случаев в качестве биоматериалов используют высокомолекулярные соединения, в том числе полимеры, то есть высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа одинаковых повторяющихся группировок. Классифицировать высокомолекулярные соединения можно по различным признакам, но в рамках настоящего издания они будут разделены на 2 группы: (1) природные материалы — высокомолекулярные соединения, выделенные из природных источников, или продукты биотехнологии (белки, полисахариды, полигидроксиалканоаты) и их производные; (2) синтетические материалы — полимеры, которые получают в процессе лабораторного синтеза. У каждого из полимеров есть свои достоинства и недостатки, и создать матрикс, который бы удовлетворял всем предъявляемым требованиям, из одного полимера практически нереально, поэтому современные функциональные ТИК состоят из нескольких компонентов. Для объединения преимуществ различных полимеров в единой макромолекуле и расширения доступных методов формования можно использовать производные и сополимеры, но их получение может быть затруднительно с точки зрения синтеза. Вторым вариантом является получение композиционных биоматериалов, которые могут состоять как из полимеров различного происхождения, так и из функциональных компонентов, в том числе неорганического происхождения (фосфаты кальция и т.д.).