Biorozpuszczalna membrana do gojenia ran wewnętrznych i zewnętrznych

Fibroblasten (komórki tkanki łącznej) na elektroprzędzonej membranie Renacer® pod mikroskopem konfokalnym (czerwony: cytoszkielet komórek, niebieski: jądra komórkowe) © Fraunhofer ITEM / Fibroblasts (connective tissue cells) on the electrospun Renacer® membrane under the confocal microscope (red: cytoskeleton of the cells, blue: cell nuclei). © Fraunhofer ITEM

Elektro-spunowa membrana Renacer® (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM / Elektrospunowa membrana Renacer® (5 x 5 cm) © Fraunhofer ITEM

Fraunhofer-Forscherom udało się wyprodukować membranę elektrospinowaną z bioresorbowalnego żelu krzemowego Renacer® , która nie jest toksyczna dla komórek ani genetycznie. Ta macierz naśladuje struktury włókien występujące w tkance łącznej. Dlatego jest szczególnie odpowiednia do zastosowań regeneracyjnych, na przykład dla lepszego gojenia ran.

Leczenie dużych powierzchniowych oraz wewnętrznych ran jest wyzwaniem i może trwać bardzo długo. Badacze z Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC i Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM opracowali na potrzeby tego obszaru bioresorbowalną membranę, która wspiera gojenie ran i całkowicie ulega biologicznemu rozkładowi w organizmie, przekształcając się w naturalną substancję.

Podstawą nowatorskiej membrany jest włóknina opracowana w ISC, która jest już medycznie zatwierdzona do regeneracji przewlekłych ran, takich jak stopa cukrzycowa. Materiał ten rozpuszcza się całkowicie w trakcie gojenia po sześciu do ośmiu tygodniach. Naukowcy zdołali zmniejszyć średnicę włókien z 50 mikrometrów do ponad 50-krotności, tak że włókna mają teraz średnicę mniejszą niż jeden mikrometr. Do produkcji użyto metody elektrospinowania. W ten sposób naukowcy wyspinowali żel krzemowy w formę membrany z gęsto upakowanych włókien o średnicy około jednego mikrometra. Czasami osiągali nawet średnice zaledwie 100 nanometrów. »Te systemy włókien naśladują macierz pozakomórkową, czyli struktury włókien występujące w tkance łącznej, w organizmie i są bardzo dobrze akceptowane przez komórki ludzkie do regeneracji. Nie wywołują reakcji obcych ciał ani wewnętrznych blizn. Nowa membrana z żelu krzemowego uwalnia tylko produkt rozkładu, monokrzemian, który działa regenerująco w organizmie i wspomaga zamykanie ran«, wyjaśnia dr Bastian Christ, naukowiec z ISC we Würzburgu. Wraz z kolegami zajmował się syntezą i przetwarzaniem tego materiału.

„Podczas gdy pierwotna włóknina z włókien o grubości 50 mikrometrów jest wprowadzana z zewnątrz do przewlekłej rany, cieńsza włóknina nadaje się również do zastosowań wewnętrznych. Materiał wypełniający, używany na przykład do ubytków kostnych w szczęce, mógłby teoretycznie być pokryty, aby przyspieszyć gojenie rany«, opisuje dr Christina Ziemann, naukowiec z Fraunhofer ITEM i odpowiedzialna za ocenę biologiczną materiału, jedną z wielu możliwości zastosowania. »Zasadniczo membrana może być przyklejana w organizmie za pomocą biodegradowalnych klejów.«

Materiał nie jest toksyczny dla komórek ani genetycznie

Za pomocą konfokalnego mikroskopu, specjalistycznego mikroskopu świetlnego, można wykazać, że gęsta membrana, która jest demonstratorem, posiada funkcję bariery, która zapobiega przenikaniu komórek tkanki łącznej przez co najmniej siedem dni, nie hamując ogólnie ich wzrostu. Ponadto membrana jest resorbowalna i nie wykazuje cyto- ani genotoksyczności, co oznacza, że nie powoduje bezpośrednich uszkodzeń tkanek ani DNA.

Średnica włókien i rozstaw oczek wpływają na zachowanie komórek

Do zastosowania jako bariera adhezji, aby zapobiec powstawaniu zrostów pooperacyjnych i bliznowaceniu, wybrano cienką średnicę włókien z drobnymi oczkami, tak aby tylko składniki odżywcze mogły przechodzić przez włókninę — ale nie komórki tkanki łącznej. Przy średnicy włókien jednego mikrometra i odpowiednio mniejszym rozstawie oczek, komórki wnikają w sieć włókien, rozmnażają się tam i działają regenerująco na otaczającą tkankę. »Poprzez dostosowanie właściwości materiału, takich jak średnica włókien i rozstaw oczek, możemy kontrolować zachowanie komórek zgodnie z życzeniem«, mówi Christ. Do wyspinowania włókien stosuje się urządzenia skonstruowane na zamówienie w ISC, dostosowane do potrzeb klienta. Również kształt i rozmiar włóknin można dostosować do wymagań klienta.

W przeciwieństwie do membrany, która zaraz po nałożeniu ze względu na swoją otwartą strukturę umożliwia transport składników odżywczych, ale nie przenikanie komórek, wiele dostępnych na rynku produktów umożliwia taki transport substancji dopiero po biologicznym rozkładzie lub jego rozpoczęciu. Jednak szybkie i skuteczne gojenie rany jest możliwe tylko wtedy, gdy uszkodzona tkanka jest odpowiednio odżywiona. Jednocześnie produkty przemiany materii muszą być odprowadzane, co sprzyja otwarta struktura oczek membrany krzemowej.  

Membrana o charakterze nieorganicznym

Kolejną zaletą jest to, że membrana Renacer® ulega całkowitemu rozkładowi i prawie pH-neutralnie rozkłada się do nietoksycznego monokrzemianu, jedynej rozpuszczalnej w wodzie formy krzemianów. Jest ona naturalnie obecna w organizmie i udowodniono, że stymuluje odbudowę tkanki łącznej w skórze i budowę kości. Takie właściwości nie są dostępne w dotychczas dostępnych produktach. Wiele materiałów biodegradowalnych rozkłada się do kwasów organicznych, takich jak kwas mlekowy czy glikolowy. Może to powodować lokalne zakwaszenie tkanek i wywoływać reakcje zapalne układu odpornościowego. »Nasze testy wykazały, że także produkt rozkładu, monokrzemian, nie jest toksyczny i jest w pełni kompatybilny z komórkami«, mówi Ziemann. »Membrana rozkłada się do pojedynczego cząsteczki — monokrzemianu.«

Włókna jako depozyt substancji czynnych

Ponadto można wprowadzić do włókniny substancje czynne, które są uwalniane podczas rozkładu materiału. »Podczas resorpcji, na przykład, można podać na ranę antybiotyk, aby zapobiec powstawaniu ognisk bakteryjnych«, wyjaśnia Christ. W ISC w ramach projektu finansowanego przez BMBF „GlioGel” sprawdzane jest, czy platforma materiałowa Renacer® nadaje się jako depozyt substancji czynnych do leczenia guzów mózgu.