Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное развитие биологии и медицины в последние годы выдвинуло на передний план задачи, направленные на создание тканеинженерных конструкций на основе полимеров, способных заменить органы человека или животного. Решение этих задач возможно при понимании основных законов физики и химии полимеров, цитологии, биофизики и медицины. На стыке этих дисциплин в последнее десятилетие возникла новая дисциплина - тканевая инженерия, одной из основных задач которой является разработка тканеинженерных конструкций на основе полимерных или неорганических матриц, содержащих стволовые или соматические клетки. Такое изделие помещенное в живой организм должен полностью заменить утраченный орган или его часть, не вызывая аутоиммунного отторжения. При создании биоинженерных изделий решается и этическая проблема: не потребуется донорских органов, необходимых для современной трансплантологии. Материал для таких матриц должен обеспечить пролиферацию и дифференциацию стволовых и соматических клеток, поэтому он должен обладать биосовместимостью, отсутствием питотоксичности, уровнем прочностных и эластичных характеристик, необходимым для манипуляции с ними в жидких средах. Этими характеристиками обладает ряд полимеров, в том числе природный биорезорбируемый полисахарид хитозан и небиорезорбируемый алифатический сополиамид.
Цель диссертационной работы - получение, исследование структуры и свойств резорбируемых одно- двух- и трехмерных матриц для клеточных технологий из хитозана и нанокомпозитов на его основе, а также нерезорбируемьгх пористых пленок и нановолокон из алифатического сополиамида.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
разработан способ получения волокон из хитозана и композитных волокон, содержащих органические и неорганические наночастицы;
исследованы реологические характеристики растворов хитозана и их смесей с органическими и неорганическими наночастицами различной формы и размеров;
- исследовано влияние органических и неорганических наночастиц различной формы
и размеров на структуру и свойства композитных волокон на основе хитозана;
- разработан способ получения пористых трехмерных матриц из хитозана и
композитов, содержащих наночастицы монтмориллонита;
- исследован фазовый состав растворов алифатического сополиамида;
- разработан способ получения нановолокон из раствора алифатического
сополиамида методом электроформования;
исследована пористая структура матриц на основе алифатического сополиамида;
исследована кинетика резорбции волокон на основе хитозана in vivo;
- исследована адгезия и пролиферация стволовых клеток на матрицах на основе
хитозана и алифатического сополиамида.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
установлено влияние гидросиликатных и органических наночастиц различной формы и размеров на реологические свойства растворов хитозана;
установлено влияние скорости сдвига растворов хитозана, а также смесей, содержащих нанотрубки хризотила, наночастицы монтмориллонита и хитина на структуру хитозановых и композитных волокон;
проведено исследование влияния условий формования: времени осаждения и степени вытяжки на прочностные и упругие характеристики хитозановых и композитных волокон;
получена зависимость устойчивости формы и размеров пористых трехмерных матриц на основе хитозана от содержания наночастиц монтмориллонита (ММТ);
- проведено исследование фазового состава растворов алифатического сополиамида
(СПА) различной концентрации, а также влияния состава спиртоводного растворителя и
температуры;
- установлена нелинейная зависимость диаметра нановолокон из СПА от концентрации
раствора, величины электрического поля и его градиента;
- проведено исследование пористой структуры пленок и материалов на основе
нановолокон СПА;
- проведено исследование кинетики и механизма резорбции in vivo волокон из хитозана.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
получены хитозановые и композитные волокна, содержащие гидросиликатные и органические наночастицы, с прочностью до 325 МПа, модулем Юнга до 15 ГПа, деформацией до разрыва ~ 7%;
методом лиофилизапии раствора хитозана концентрацией 4 мас.% в 2% растворе уксусной кислоты, содержащего наночастицы ММТ, получены пористые блочные образцы с повышенной формоустойчивостью в водных средах;
разработан способ получения нановолокон из раствора СПА методом электроформования;
- получены пористые пленки из раствора СПА методом коагуляции;
- показана высокая адгезия и пролиферация стволовых клеток на волокнах, пленках и
губках из хитозана, а также нанокомпозитах на его основе;
показана высокая адгезия и пролиферация стволовых клеток на пористых пленках и наново локнах из СПА;
показано, что in vivo волокна из хитозана полностью резорбируют на 30 сутки.
Обоснованность и достоверность данных, полученных независимыми физико-химическими методами, а также выводов на их основе, подтверждается хорошей воспроизводимостью и взаимосогласованностью характеристик разработанных полимерных и композиционных материалов.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на следующих конференциях: 6-й и 7-й Санкт-Петербургской конференции молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах», (Санкт-Петербург 2010, 2011), 2-й и 3-й Всероссийской школе-конференции для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Московская область 2010, 2011), Научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011» СПбГТИ (ТУ) (Санкт-Петербург 2011), 12-ой Международной конференция по физике диэлектриков «Диэлектрики-2011» (Санкт-Петербург 2011), 7-th International Symposium Molecular Mobility and Order in Polymer Systems (St. Petersburg 2011), Conference Fibermed-2011 (Tampere Finland 2011), 2-й Международной школе «Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедипина» (Московская область 2011), World Conference on Regenerative Medicine (Leipzig Germany 2011), Международной научной конференции и 8 Всероссийской олимпиаде молодых ученых «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург 2012).
Участие в грантах и конкурсах. Гранты РФФИ № 12-03-31483 (рук.), 10-03-00483-а (исп.), 13-03-00748-а (исп.). Госконракт на выполнение НИР по направлению «Биоинженерия» № 674 (2010-2012). Победитель конкурса грантов комитета по науке и высшей школе администрации Санкт-Петербурга (2010, 2012 и 2013 гг.). Призовое место на конкурсе работ молодых ученых ИВС РАН в 2010 г.
Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 8 статей, из них 7 в журналах рекомендованных ВАК РФ, 17 тезисов докладов в сборниках российских и международных конференций, получено 2 патента РФ, подано 3 заявки на патент РФ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка использованной
литературы. Работа изложена на 119 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка и 10 таблиц.
