Facultatea de Bioinginerie MedicalaFacultatea de Bioinginerie Medicala

Inginerie citotisularaInginerie citotisularasi organe artificialesi organe artificiale

An IV

CURS 1

Ce este ingineria tisulara?Ce este ingineria tisulara?

Ingineria tisulara este o disciplina de granita care promoveaza obtinerea unor noi sisteme bioartificiale sau dezvoltarea unor tehnologii si dispozitive capabile de a interactiona specific cu tesuturile biologice animale.

Mecanismul de actiune al substituientului cutanatBIOBRANE®

-suport-celule-biomolecule semnal

Metodele ingineriei tisulare:-insamantarea de celule, prelevate sau nu de la un donator (sau insusi pacientul) si proliferate in vitro, pe suporturi tridimensionale biodegradabile, care sa asigure ghidarea corespunzatoare a generarii unei noi matrici, prin activitatea metabolica normala a celulelor. Se obtin tesuturi artificiale ce urmeaza a fi implantat in corpul pacientului.

-regenerarea in situ a tesutului lezat, prin injectatea/implantarea unui suport insamantat sau nu cu celule care sa stimuleze refacerea tesuturilor gazda. Pe masura constituirii noii matrici, suportul se biodegradeaza, integrandu-se complet in sistemul gazda;

Inginerie tisulara in vitro

Aplicatii in ingineria tisulara

Organ Numar de persoane in asteptare

Nr. De tlansplanturi ef ectuate

Rinichi 56317 14776

Pancreas 1464 349

Rinichi/ Pancreas 2415 905

Ficat 17224 5329

I ntestine 165 107

I nima 3547 2155

Plaman 3891 1042

I nima/ Plaman 184 33

• O persoana se adauga pe lista la fiecare 14 min• Un pacient moare la 85min in asteptarea transplantului

Suporturi pentru inginerie tisulara

In proiectarea suporturilor pentru inginerie tisulara se urmaresc:- parametrii fizico-chimici care intervin imediat dupa implantare;- parametrii biologici care intervin

Astfel, imediat dupa contactul cu plaga, implantul trebuie sa prezinte adeziune cu tesutul gazda. Datele empirice au evidentiat urmatoarea cerinta pentru un implant care este capabil de a inlocui un tesut:

Tb/ Tv =1

Tb - timpul necesar biodegradarii implantului;Tv-timpul de cicatrizare (vindecare), in care are loc sinteza tesutului nou.

Mediul poros in ingineria tisularaMediul poros in ingineria tisulara

Culturain vitro

Proliferare celularaVascularizare tesut

Implant

Celula

De la pacientCelule stemCelule animale Depunere pe

suport poros

BIOMATERIALE - DefinitiePrin notiunea de biomaterial se intelege

orice entitate materiala care poate fi utilizata in contact, endogen sau exogen, cu tesut animal viu, in scop de regenerare, inlocuire, terapeutic, de diagnostic sau monitorizare a acestuia.

Clasificarea biomaterialelor se poate face dupa mai multe criterii:

1.In functie de natura tesutului la a carui refacere contribuie:

1.1. Pentru tesuturi tari: oase, dinti, cartilagii1.2. Pentru tesuturi moi: piele artificiala, vase de singe, ficat, ochi, inima, ligamente

2. Dupa forma de prezentare a biomaterialului - fluide injectabile - capsule - filme poroase - filme fibroase - placi compacte - tuburi - fire-fibre - geluri

3. Dupa natura chimica a materialului:

Biomateriale polimerice

Biomateriale metalice

Biomateriale ceramice

Biomateriale compozite

4. Dupa comportarea in mediu biologic- resorbabile- partial resorbabile- neresorbabile

Mecanismul de actiune al substituientului cutanatBIOBRANE®

Polimerii - pot fi clasificati in doua mari categorii: -polimeri naturali (biopolimeri): proteine (albumine, colagen), polizaharide, glicozo-aminoglicani;

-polimeri sintetici cum ar fi: poli ( -hidroxiesteri), polietilenoxizi, cauciuc siliconic, poli (2-hidroxietilmetacrilat),polietilena, alcool polivinilic, poliuretani, poliacid glicolic, etc.

Biopolimeri –provin din biosinteza, se folosesc extractii adecvate din mediul natural.

Biomateriale colagenice [i provenien]a acestora din resurse de ]esut conjunctiv

Materiale utilizate pentru membrane poroase

Materiale colagenice:

-fibra de colagen, colagen, gelatina

Glucan chain

Microfibril

Celuloza

R: H celuloza

R: C N ;

HO

CH2 CH3 CO O CH3 ; ; CO O C2H5; OS CH3

PO3H; NO2; OS CH3; CH2 C OH;O

O

HH

HO

HH

CH2OR

O

HH

HH

CH2OR

O

HH

HH

CH2OR

H H H

OR OR OR

OO OOH OH OH

n

Biopolimeri:

Chitina Chitosan

Aplicatii:

cartilaj; tesut osos; piele artificiala

O

O H

O HH

H

O

O H

H H

COONa

O

HH O

O H

O HCOONa

O H

H H

H

O

H

n

A l g i n a t d e s o d i u

A c i d h i a l u r o n i c

C o n d r o i t i n s u l f a t A s i B

O

HH

HH

O H

H N H

COO-

OO

O

HH

HH

OHH NH

CH 2 OH

O HH

OC COC H 3 C H 3

n

O

HH

HH

O H

H O H

COO-

OO

O

HH

H-O 3 SO

HH NH

CH 2 OH

O HH

CO

C H 3

n

Polimeri sintetici biodegradabili

In cazul folosirii in scopuri terapeutice, polimerii trebuie sa indeplineasca anumite conditii, ansamblul acestora asigurand realizarea efectului fiziolgic dorit, toleranta buna de catre organism si diminuarea efectelor secundare.

Aceste conditii sunt:

conditii structurale si de puritate;conditii legate de modul de administrare si locul de actiune;conditii legate de interactiunile biologice posibile

1.Conditii structurale si de puritate

- sa corespunda structurii chimice propuse pentru exercitarea unui anumit efect;- sa fie de greutate adecvata pentru scopul propus, astfel incat sa fie exclus pericolul sedimentarii in organism;- sa fie obtinuti in stare pura, sa nu fie impurificati cu diferite componente;- sa nu prezinte modificari ale structurii;- sa nu sufere degradari prin sterilizare;- sa fie stabili din punct de vedere fizic si chimic la interactiunile cu mediul biologic.

2.Conditii legate de modul de administrare si locul de actiune

Aceste conditii se refera la capacitatea de a forma complecsi reversibili sau ireversibile cu anumite substraturi(chelati, complecsi de natura electrostatica, sisteme redox de natura polimerica), proprietatile tensioactive, hidrosolubilitatea, liposolubilitatea.

3.Conditii legate de interactiunile biologice posibile

Conditiile legate de interactiunea cu organismul sunt practic legate de asigurarea biocompatibilitatii, absenta sedimentarii in tesuturi, absenta efectelor alergice, toxice, cancerigene.

Notiuni de biocompatibilitate

In general se poate afirma ca pentru ca un corp sa fie biocompatibil trebuie sa indeplineasca citeva conditii ,dintre care cele mai importante sunt :

lipsa fenomenelor de respingerelipsa toxicitatiiabsenta reactiilor alergicenemodificarea mecanismului de coagulare a singeluinemodificare tabloului sanguinlipsa efectelor citotoxice

Tipuri de biocompatibilitateBiocompatibilitate in masa e importanta cind biomaterialul e un

implant osos sau vine in contact cu vase sanguine .Cind corpul straineste in singe sau este situat intr - un tesut moale devine maisemnificativa biocompatibilitatea interfaciala

Caracteristici de difuzie prin membrane

Mecanismele ce caracterizeaza procesele de membrana fac parte din fenomenele de transport ale substantei prin membrana sunt tipic ireversibile, fiind insotite de producere de entropie.

Difuzia prin mediul poros:

- difuzia fluidului din mediul A prin stratul limita exterior mediului poros (difuzia externa) la interfata cu membrana de polimeri:

- sorbtia fluidului in interiorul stratului microporos;

- difuzia fluidului prin stratul limita exterior mediului poros in mediul B.

Schema generala a trecerii unui fluid din mediul A in mediul B printr-o membrana microporoasa de polimer

d-grosimea membranei;c1- concentratia fluidului in mediul A;c2 - concentratia fluidului in mediul B;c1

*,c2*- concentratia

fluidului in membrana;x - directia de deplasare a fluidului in membrana.

Difuzia face parte din grupul de fenomene moleculare de transport cauzate de miscarea termica a moleculelor fluidelor si le asigura o repartitie uniforma in spatiul considerat. In functie de dimensiunile si structura porilor, difuzia prin mediul poros poate avea loc in trei moduri :

- difuzia dupa legea lui Fick;

- difuzia Knudsen;

- difuzia de suprafata.

a) Difuzia Fick are loc atunci când diametrul porilor este mare. Descrierea cantitativa a procesului de difuzie care tine cont de miscarea dezordonata a moleculelor este data de legea a II-a lui Fick si reda variatia in timp a concentratiei in orice punct fiind proportionala cu variatia in spatiu a gradientului de concentratie:

unde: cA- concentratia speciei moleculare care se deplaseaza in amestec prin difuzie; DAB- coeficient de difuzie moleculara pentru specia moleculara A care difuzeaza printre moleculele speciei moleculare B; x- directia in care are loc difuzia; t - timpul.

dc

dtD

d c

dxABA

2

2

b) Difuzia Knudsen are loc atunci când dimensiunile porilor si drumul liber mijlociu al moleculelor care difuzeaza sunt apropiate ( de acelasi ordin de marime), particulele se vor ciocni mai frecvent cu peretele porului decât intre ele, astfel incât fluxul de difuzie nu va mai fi afectat de prezenta altor specii moleculare, deoarece ciocnirile moleculelor intre ele sunt neglijabile. Acest mecanism este preponderent pentru diametre ale porilor mai mici de 50Ao.

unde: nAk- fluxul de difuzie; Dk- coeficientul de difuzie Knudsen.

n D Sdc

dxAk kA

c) Difuzia de suprafata apare atunci când pe suprafata interna a mediului poros se adsoarbe o parte din difuzat. Daca adsorbtia este de natura fizica, moleculele adsorbite au o anumita mobilitate si daca concentratia substantei adsorbite variaza de la un punct la altul se creaza un gradient de concentratie care va crea un fenomen identic cu difuzia obisnuita, care va fi cu atât mai intens cu cât mobilitatea moleculelor adsorbite este mai mare.

Fluxul de difuzie prin acest mecanism este exprimat prin relatia:

unde: DS- coeficientul de difuzie superficial; cAs- concentratia superficiala exprimata in unitati de masa.

n D Sdc

dxAs sAs

In cazul realizarii tesuturilor artificiale studiile de inginerie se concentreaza asupra proiectarii structurale a biomaterialului, care este direct implicat in arhitectura scheletului, pentru a se obtine un optim al structurii si conditiilor nutritionale. In primul rand trebuie asigurata si o compatitbilitate structurala care sa confere conditii de viata si replicarea celulelor. Astfel se genereaza suporturi poroase, fibre sau membrane a caror ordine structurala se bazeaza pe principiile:

a)periodicitatii

b)fractalilor;

c)stohasticii;Cand elementele structurale (pori, fibre,etc) sunt impuse una in raport cu alta, pentru a da o arhitectura mult mai complexa, sistemul poarta denumirea de superstructura.

Un exemplu de superstructura il constituie Sistemul injectabil pentru implant cu pori deschisiClinic, exista o cerinta tot mai mare pentru procedurile de chirurgie minim invaziva, ceea ce implica si existenta unei microtehnici chirugicale. Structurile cu pori deschisi proiectate ca sisteme de transport pentru transportul celulelor pot necesita aceste tehnici.S-a realizat un nou sistem de implant injectabil care prezinta ambele aspecte:o implantabilitate minim invaziva si porozitate deschisa.

Sistem de transport al celulelor

Superstructuri poroase deschise dintr-un sistem de doua faze lichide

Aceste superstructuri sunt concepute a fi implantate prin injectarea a doua faze lichide, in locuri greu accesibile prin alte metode.

Ca aplicatie se mentioneaza stabilizarea coloanei vertebrale in cazul unor traumatisme sau dupa rezectia discului intervertebral.

In acest sistem, o faza este rigida, se intareste dupa cateva minute de la aplicare, iar cealalta este vascoelastica si resorbabila. Separarea celor doua faze nemiscibile conduce la o structura cu pori deschisi. Diametrul porilor variaza de la 300-1500 micrometri, depinzand de parametrii procesului.