Biorozpustná membrána pro hojení vnitřních a vnějších ran

Fibroblasty (buňky pojivové tkáně) na elektrospinované membráně Renacer® pod konfokálním mikroskopem (červená: cytoskelet buněk, modrá: jádra buněk) © Fraunhofer ITEM / Fibroblasty (buňky pojivové tkáně) na elektrospinované membráně Renacer® pod konfokálním mikroskopem (červená: cytoskelet buněk, modrá: jádra buněk). © Fraunhofer ITEM

Elektro-spinnená membrána Renacer® (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM / Elektrospinnená membrána Renacer® (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM

Výzkumníci z Fraunhoferu se podařilo z bioresorbovatelného křemelého gelu Renacer® vytvořit elektrospřádanou membránu, která není ani cytotoxická, ani genotoxická. Tato matrice napodobuje vláknité struktury, které se vyskytují v pojivové tkáni. Je proto zvláště vhodná pro regenerační aplikace, například pro lepší hojení ran.

ošetření velkých a vnitřních ran je výzvou a může být velmi zdlouhavé. Výzkumníci z Fraunhoferova institutu pro sklářský výzkum ISC a Fraunhoferova institutu pro toxikologii a experimentální medicínu ITEM vyvinuli pro tento oblast bioresorbovatelnou membránu, která podporuje hojení ran a úplně se v těle biologicky rozloží na přirozenou látku.

Základem nové membrány je vlákna, která byla vyvinuta na ISC Fraunhofer a již jsou medicínsky schválena pro regeneraci chronických ran, například diabetické nohy. Tento materiál se během hojení rány po šesti až osmi týdnech úplně rozpadne. Výzkumníci dokázali snížit průměr vláken více než 50krát, takže nyní mají průměr méně než jeden mikrometr. Použili přitom metodu elektrospinningu. Tímto způsobem mohli z křemelého gelu vytvořit hustou křemelou membránu z vláken s průměrem přibližně jeden mikrometr. Částečně dosáhli dokonce průměru pouze 100 nanometrů. »Tyto vláknové systémy napodobují extracelulární matrici, tedy vláknité struktury, které se vyskytují v pojivové tkáni, v těle, a jsou velmi dobře přijímány lidskými buňkami pro regeneraci. Nezpůsobují žádné reakce na cizí těleso ani vnitřní jizvení. Nová křemelá membrána uvolňuje pouze rozkladný produkt, monokřemičitan, který působí regeneračně v těle a podporuje uzavírání ran«, vysvětluje Dr. Bastian Christ, vědec z ISC Fraunhofer v Würzburgu. Se svými kolegy se staral o syntézu a zpracování tohoto materiálu.

„Zatímco původní vláknová vložka z vláken o tloušťce 50 mikrometrů je zaváděna zvenčí do chronické rány, tenčí vlákna jsou vhodná i pro vnitřní použití. Výplňový materiál, který se používá například pro kosti v čelisti, by teoreticky mohl být tímto způsobem zakryt, aby se urychlilo hojení ran«, popisuje Dr. Christina Ziemann, vědkyně z Fraunhofer ITEM a odpovědná za biologické hodnocení materiálu, jedna z mnoha možných aplikací. »Principiálně lze membránu v těle přilepit biologicky odbouratelnými lepidly.«

Materiál není ani cytotoxický, ani genotoxický

Pomocí konfokálního mikroskopu, speciálního světelného mikroskopu, bylo ukázáno, že hustá membrána, která je předvedena jako demonstrátor, má bariérovou funkci, která po dobu nejméně sedmi dnů brání průchodu pojivové tkáně buněk, aniž by obecně bránila růstu buněk. Navíc je membrána resorbovatelná a neobsahuje žádnou cyto- ani genotoxicitou, tedy nezpůsobuje žádné přímé poškození tkáně ani DNA.

Průměr vláken a velikost ok ovlivňují chování buněk

Pro použití jako adhezní bariéra, aby se zabránilo pooperačním srůstům a tvorbě jizev, byl zvolen tenčí průměr vláken s jemnými oky, takže pouze živiny mohly procházet vláknovou vložkou – ale nikoli pojivové buňky. U průměru vláken jeden mikrometr a odpovídajících ok je však buňky mohou pronikat do vláknité sítě, množit se tam a působit regeneračně na okolní tkáň. »Nastavením vlastností materiálu, jako je průměr vláken a velikost ok, můžeme chování buněk podle přání ovlivnit«, říká Christ. Pro spřádání vláken jsou potřebná zařízení na ISC Fraunhofer navržena podle požadavků a zákaznických specifikací. Tvar a velikost vláknových vložek lze také upravit podle přání zákazníka.

Na rozdíl od membrány, která ihned po nanesení díky své otevřené struktuře umožňuje transport živin, nikoli však průchod buněk, mnoho dostupných produktů na trhu umožňuje takový transport často až po biologickém rozkladu nebo jeho začátku. Rychlé a efektivní hojení ran je však možné pouze tehdy, pokud je poškozená tkáň dostatečně zásobována živinami. Současně je třeba odstraňovat metabolické produkty, což je podporováno otevřenou mřížkovou strukturou křemelého gelu.«

Membrána s anorganickým charakterem

Další výhodou je, že membrána Renacer® se úplně rozpadne a téměř za pH neutrálních podmínek se rozkládá na netoxický monokřemičitan, jedinou vodou rozpustnou formu křemíku. Tento je přirozeně přítomen v těle a prokazatelně stimuluje tvorbu pojivové tkáně v kůži a tvorbu kostí. Takové vlastnosti zatím žádné dostupné produkty nemají. Mnoho biologicky odbouratelných materiálů se rozpadá na organické kyseliny, například mléčnou nebo glykolovou kyselinu, což může vést k lokálním překyselením tkáně a následně k zánětlivým reakcím imunitního systému. »Naše testy ukázaly, že i rozkladný produkt, monokřemičitan, není toxický a je zcela kompatibilní s buňkami«, říká Ziemann. »Membrána se rozpadá na jedinou molekulu – monokřemičitan.«

Vlákna jako zásobárna účinných látek

Navíc lze do vláknité vložky integrovat účinné látky, které se uvolní při rozkladu materiálu. »Během resorpce může být například do rány v těle uvolněno antibiotikum, aby se zabránilo tvorbě bakteriálních ložisek«, vysvětluje Christ. V projektu podporovaném BMBF v ISC Fraunhofer se zkoumá, zda je platforma Renacer® vhodná jako zásobárna účinných látek pro léčbu nádorů mozku.