Index of /rozprawy2/11552

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki. ROZPRAWA DOKTORSKA Warstwowe biomateriały do leczenia ubytków tkanki kostnej i chrzęstnej otrzymywane metodą druku 3D i elektroprzędzenia. mgr inż. Anna Kurowska. Promotor: Dr hab. inż. Izabella Rajzer, prof. ATH Promotor pomocniczy: Dr inż. Magdalena Ziąbka. Bielsko-Biała 2019. 1.

(2) 2.

(3) SPIS TREŚCI PODZIĘKOWANIA. 9. INDEKS SKRÓTÓW I OZNACZEŃ STOSOWANYCHW PRACY. 13. WPROWADZENIE. 17. 1.. PRZEGLĄD LITERATURY. 21. 1.1. Budowa nosa. 21. 1.2. Przyczyny uszkodzeń chrząstki nosa. 27. 1.3. Rhinoplastyka i septoplastyka. 29. 1.4. Inżynieria tkankowa. 37. 1.5. Wymagania chirurgów dotyczące właściwości materiałów do regeneracji tkanki kostnej i chrzęstnej. 43. Metody otrzymywania podłoży w inżynierii tkankowej. 52. 1.6. 1.6.1 Elektroprzędzenie. 53. 1.6.2 Druk 3D. 58. CEL, TEZY I ZAKRES PRACY. 67. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA. 71. 2.. 71. OPIS METOD POMIAROWYCH. 2.1. Mikroskopia optyczna z komputerową analizą obrazu. 71. 2.2. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i spektroskopia dyspersji energi promieniowania X (EDX). 71. 2.3. Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC). 72. 2.4. Spektroskopia w podczerwieni (FTIR). 72. 2.5. Badania rentgenowskie (XRD). 73. 2.6. Mikrotomografia komputerowa (µCT). 73. 2.7. Badania ultradźwiękowe. 74. 2.8. Badania lepkości. 74. 2.9. Badania masy i pomiar grubości. 74. 2.10. Badania wytrzymałościowe. 74. 2.11. Badania in vitro w warunkach stymulowanego środowiska biologicznego. 75. 2.11.1 Ocena bioaktywności materiałów w warunkach in vitro. 75. 2.11.2 Ocena degradacji materiałów w warunkach in vitro. 77. 3.

(4) 2.12. Badania komórkowe. 78. 2.12.1 Hodowla komórkowa na membranach PCL. 78. 2.12.2 Hodowla komórkowa na materiałach PLLA. 80. 2.12.3 Hodowla komórkowa na materiałach PCL. 82. 3.. METODY WYTWARZANIA MATERIAŁÓW WYKORZYSTYWANE W PRACY. 84. 3.1. Elektroprzędzenie. 84. 3.2. Druk przestrzenny. 85. 4.. WŁÓKNISTE MEMBRANY Z ŻELATYNY (SERIA I). 89. 4.1. Wytwarzanie membran z żelatyny metodą elektroprzędzenia. 89. 4.2. Ocena mikrostruktury wytworzonych membran. 89. 4.3. Wytwarzanie membran z żelatyny modyfikowanych lekiem metodą elektroprzędzenia. 96. 4.4. Ocena mikrostruktury wytworzonych membran. 99. 4.5. Badania membran metodą spektroskopii w podczerwieni. 100. 4.6. Badania właściwości mechanicznych membran. 101. PODSUMOWANIE. 105. 5.. MEMBRANY Z POLIKAPROLAKTONU MODYFIKOWANE BIOSZKŁEM (SERIA II). 106. 5.1. Wytwarzanie membran z dodatkiem bioszkła o różnej wielkości cząstek metodą elektroprzędzenia. 106. 5.2. Ocena mikrostruktury wytworzonych membran. 108. 5.3. Wytwarzanie membran przy różnej prędkości dozowania roztworu. 109. 5.4. Ocena mikrostruktury otrzymanych membran. 111. 5.5. Wytwarzanie membrany modyfikowanej bioszkłem z cynkiem. 118. 5.6. Ocena mikrostruktury wytworzonej membrany. 121. 5.7. Badanie właściwości termicznych. 123. 5.8. Badania membran metodą spektroskopii w podczerwieni. 127. 5.9. Ocena bioaktywności membran w warunkach in vitro. 129. 5.10. Badania komórkowe. 132. PODSUMOWANIE. 134. PODŁOŻA Z POLI(L-KWASU MLEKOWEGO) WYTWARZANE W TECHNOLOGII DRUKU PRZESTRZENNEGO FDM (SERIA III). 136. Wytwarzanie podłoży metodą druku przestrzennego. 140. 6. 6.1. 4.

(5) 6.2. Ocena mikrosturktury wydrukowanych podłoży. 141. 6.3. Badania właściwości mechanicznych wydrukowanych podłoży. 144. 6.4. Wytwarzanie rusztowań o cylindrycznym kształcie. 146. PODSUMOWANIE. 147. PODŁOŻA Z POLIKAPROLAKTONU WYTWARZANE W TECHNOLOGII DRUKU PRZESTRZENNEGO FDM (SERIA IV). 149. Wytwarzanie filamentów do druku 3D w postaci sztyftów. 149. 7. 7.1. 7.1.1 Ocena makroskopowa i mikroskopowa filamentów. 152. 7.1.2 Badania mechaniczne fialmentów. 161. 7.1.3 Badania metodą spektroskopii w podczerwieni (FTIR). 163. 7.1.4 Badania rentgenowskie (WAXS). 165. 7.1.5 Badania ultradźwiękowe. 166. 7.1.6 Badania filamentów metodą mikrotomografii komputerowej. 167. 7.2. Modyfikowane podłoża z PCL wytwarzane w technologii druku przestrzennego FDM. 168. 7.2.1 Modele podłoży. 169. 7.2.2 Wytwarzanie podłoży metodą druku przestrzennego z filamentów w postaci sztyftów. 171. 7.2.3 Ocena makro- i mikrostruktury wydrukowanych rusztowań. 172. 7.2.4 Badanie rusztowań metodą spektroskopii w podczerwieni (FTIR). 180. 7.2.5 Badania właściwości mechanicznych wydrukowanych rusztowań. 181. 7.2.6. 183. Badanie poręczności chirurgicznej PODSUMOWANIE. 183. WARSTWOWE PODŁOŻA Z POLI(L-KWASU MLEKOWEGO) WYTWARZANE W TECHNOLOGII DRUKU PRZESTRZENNEGO FDM Z NANIESIONĄ ELEKTROPRZĘDZONĄ MEMBRANĄ Z ŻELATYNY (SERIAV). 184. 8.1. Ocena mikrostruktury warstwowych rusztowań. 186. 8.2. Badania in vitro w warunkach stymulowanego środowiska biologicznego. 189. 8.. 8.2.1 Ocena bioaktywności warstwowych próbek PLLA w warunkach in vitro. 189. 8.2.2 Ocena degradacji warstwowych próbek PLLA w warunkach in vitro. 193. 8.3. Badania komórkowe. 197. PODSUMOWANIE. 199. 5.

(6) 9.. WARSTWOWE PODŁOŻA Z POLIKAPROLAKTONU WYTWARZANE W TECHNOLOGII DRUKU PRZESTRZENNEGO FDM Z NANIESIONĄ ELEKTROPRZĘDZONĄ MEMBRANĄ Z POLIKAPROLAKTONU (SERIA VI) 200. 9.1. Ocena mikrostruktury rusztowań. 202. 9.2. Ocena stopnia krystaliczności (DSC). 205. 9.3. Badania metodą spektroskopii w podczerwieni. 207. 9.4. Badania in vitro w warunkach stymulowanego środowiska biologicznego. 208. 9.4.1 Ocena bioaktywności warstwowych próbek w warunkach in vitro. 208. 9.4.2 Ocena degradacji warstwowych próbek w płynie PBS w warunkach in vitro. 213. 9.4.3 Badania metodą mikrotomografii komputerowej. 217. 9.5. Badania komórkowe. 224. PODSUMOWANIE. 228. WNIOSKI. 229. BIBLIOGRAFIA. 231. 6.

(7) Praca doktorska realizowana była w Akademii TechnicznoHumanistycznej, na Wydziale Budowy Maszyn i Informatyki, w Katedrze Podstaw Budowy Maszyn w ramach projektu badawczego finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki pt. „Warstwowe podłoża wspomagające rekonstrukcję chrząstek nosa wytwarzane metodą druku przestrzennego i elektroprzędzenia”, nr 2015/18/E/ST5/00189 (Sonata Bis 5).. 7.

(8) 8.

(9) PODZIĘKOWANIA. Szczególne podziękowania kieruję do mojej Pani Promotor dr hab. inż. Izabelli Rajzer za przekazaną wiedzę, za nieocenioną pomoc w interpretacji wyników, za poświęcony czas i cierpliwość, a przy tym zawsze miłą atmosferę. Dziękuję za motywowanie mnie do nauki i pogłębiania wiedzy. Miałam ogromne szczęście, że mogłam poznać takiego Człowieka jak Pani Profesor i pod Jej okiem realizować tą pracę.. Składam serdeczne podziękowania Wszystkim, którzy przyczynili się do powstania niniejszej pracy doktorskiej: Promotorowi Pomocniczemu Pani dr inż. Magdalenie Ziąbce, Pani dr Elżbiecie Menaszek, Pani dr inż. Annie Nikodem, Pani dr inż. Ewie Stodolak-Zych, Panu dr hab. inż. Jerzemu Kopeć, dr inż. Michałowi Dziadkowi, dr inż. Marcinowi Sidzinie, mgr inż. Adamowi Jabłońskiemu, mgr inż. Mateuszowi Śliwce, inż. Sabinie Paterek, inż. Arkadiuszowi Matuszek, za wszelką pomoc, wsparcie merytoryczne i życzliwość.. Dziękuję również tym Wszystkim, których nie wymieniłam tu z imienia i nazwiska, a którzy byli mi pomocni i życzliwi.. Podziękowania należą się również Rodzinie, Przyjaciołom oraz Znajomym, za wyrozumiałość i dobre słowo.. Dziękuję Anna Kurowska. 9.

(10) 10.

(11) Niniejszą pracę dedykuję moim Córkom Adeli i Antoninie. 11.

(12) 12.

(13) INDEKS SKRÓTÓW i OZNACZEŃ STOSOWANYCH W PRACY AK - kinaza adenylowa (ang. adenylate kinase) ALP - fosfataza alkaliczna (ang. alkaline phosphatase) BG - bioszkło (ang. bioglass) BG_Zn - bioszkło z cynkiem CAD - projektowanie wspomagane komputerowo (ang. computer aide design) CaP - fosforan wapnia DSC - różnicowa kalorymetria skaningowa (ang. differential scanning calorimetry) E - moduł Younga ECM - macierz zewnątrzkomórkowa (ang. extracellular matrix) EDX. -. Spektroskopia. dyspersji. energii. promieniowania. rentgenowskiego. (ang. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) FDA - Food and Drug Administration FDM - osadzanie stopionego materiału (ang. Fused Deposition Modeling) FTIR - furierowska spektroskopia w podczerwieni (ang. Fourier Transform Infrared Spectroscopy) HAp - hydroksyapatyt HDPE - polietylen wysokiej gęstości IM - formowanie wtryskowe (ang. injection moulding) LOM - wytwarzanie obiektów laminowanych (ang. Laminated Object Manufacturing) MSC - mezenchymalne komórki macierzyste (ang. mesenchymal stem cells) PBS - buforowana sól fizjologiczna (ang. phosphate buffered saline) PCL - poli(ε-kaprolakton) PLLA - poli(L-laktyd) RP – metody szybkiego prototypowa niania (ang. Rapid Prototyping) SBF - sztuczne osocze (ang. Simulated Body Fluid) 13.

(14) SEM - skaningowa mikroskopia elektronowa SLA - stereolitografia (ang. Stereopitography) SLS - selektywne spiekanie laserowe (ang. Selective Laser Sintering) TIPS - termicznie indukowana separacja faz (ang. Thermaly Induced Phase Separation) WAXS - szerokokątowa dyfrakcja rentgenowska εb - wydłużenie przy zerwaniu σM - wytrzymałość na rozciąganie K - stopień krystaliczności. W pracy wykorzystano następujęce oznaczenia próbek: PLLA - próbki z poli(L-kwasu mlekowego), występujące w formie wydrukowanych rusztowań GEL - próbki z żelatyny, występujące w formie włókniny GEL_OST - próbki z żelatyny modyfikowanej osteogenonem, występujące w formie włókniny PCL_OST - próbki z polikaprolaktonu modyfikowane osteogenonem, występujące w formie włókniny PCL - próbki z czystego polikaprolaktonu, występujące jako włóknina, filament w formie sztyftu, wydrukowane rusztowanie PCL_BG - próbki z polikaprolaktonu modyfikowane bioszkłem, występujące jako włóknina, filament w formie sztyftu, wydrukowane rusztowanie PCL_BG_Zn - próbki z polikaprolaktonu modyfikowane bioszkłem z cynkiem, występujące jako włóknina, filament w formie sztyftu, wydrukowane rusztowanie PCL_GRAF - próbki z polikaprolaktonu modyfikowane grafenem, występujące jako filament w formie sztyftu, wydrukowane rusztowanie PLLA/GEL_6 - warstwowe próbki z poli(L-kwasu mlekowego), z nanieniesioną membraną z żelatyny. 14.

(15) PLLA/GEL_6_1,5OST. -. warstwowe. próbki. z. poli(L-kwasu. mlekowego),. z nanieniesioną membraną z żelatyny modyfikowanej osteogenonem PCL/PCL_OST. -. warstwowe. próbki z. polikaprolaktonu. z. naniesioną. membraną. z polikaprolaktonu modyfikowaną osteogenonem PCL_BG/PCL_OST - warstwowe próbki z polikaprolaktonu modyfikowanego bioszkłem, z naniesioną membraną z polikaprolaktonu modyfikowaną osteogenonem PCL_BG_Zn/PCL_OST - warstwowe próbki z polikaprolaktonu modyfikowanego bioszkłem z cynkiem, z naniesioną membraną z polikaprolaktonu modyfikowaną osteogenonem PCL_GRAF/PCL_OST - warstwowe próbki z polikaprolaktonu modyfikowanego grafenem, z naniesioną membraną z polikaprolaktonu modyfikowaną osteogenonem. 15.

(16) 16.

(17) WPROWADZENIE Uszkodzenia czy zniekształcenia kości i chrząstek nosa mogą powstawać w wyniku wad wrodzonych, przebytych chorób, powikłań pooperacyjnych oraz nabytych urazów. Tkanka chrzęstna jest rodzajem tkanki łącznej o słabym unaczynieniu, unerwieniu, małej zawartości komórek i małym metabolizmie tlenowym, dlatego uszkodzona naturalna chrząstka ma niewielkie zdolności regeneracyjne. Dobór odpowiedniego materiału do rekonstrukcji przegrody nosa, determinuje powodzenie zabiegu chirurgicznego. Obecne rozwiązania wykorzystują materiały naturalne (chrząstka autologiczna) oraz materiały syntetyczne (alloplasty). Chrząstka przegrody nosa jest uważana za idealny materiał w rhinoplastyce nosa ze względu na odpowiednią sztywność i prosty kształt. Alternatywne źródła przeszczepu takie jak ucho lub żebro, są stosowane, gdy chrząstka przegrody jest niedostępna lub kiedy jej ilość jest. niewystarczająca.. W. rozwiązaniach. tych. występują. ograniczenia. związane. z niedostateczną ilością tkanki do pobrania, nieodpowiednim kształtem pobranej tkanki oraz możliwością wystąpienia powikłań w miejscu pobrania tkanek. Syntetyczne implanty mogą posiadać kształt idealnie dopasowany do miejsca ubytku. Można je również łatwo kształtować, dzięki czemu skraca się zarówno czas jak i koszty zabiegu chirurgicznego związanego z przygotowaniem i wszczepieniem implantu, usprawniając tym samym procedury chirurgiczne. Pomimo wymienionych zalet obecnie stosowanych wszczepów syntetycznych, ich użycie często związane jest z występowaniem powikłań, takich jak zapalenie, infekcja, dyslokacja i odrzucenie. Ponadto samo przymocowanie sztywnego implantu w miejscu implantacji wiąże się (według doniesień chirurgów) z trudnością w przeprowadzeniu zakrzywionej igły przez implant i uszkodzeniem implantu. Chirurdzy oraz laryngolodzy sygnalizują brak dostępności na rynku nowoczesnych i odpowiednich materiałów, które mogłyby zapewnić właściwą rekonstrukcję ubytków tkanki chrzęstnej i kostnej nosa. Dlatego coraz częściej poszukuje się nowych rozwiązań oraz metod alternatywnych, które pozwolą na efektywną regeneracje uszkodzonych tkanek. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie przestrzennych rusztowań stosowanych w inżynierii tkankowej. Rusztowanie tkankowe to trójwymiarowe podłoże do hodowli komórek, które charakteryzuje przestrzenna budowa, utworzona przez sieć porów. Wytworzone rusztowania 17.

(18) powinny naśladować naturalną włóknistą architekturę tkanki, zapewnić właściwe funkcje biologiczne nosa, powinny wpływać na właściwy proces regeneracji tkanki w miejscu uszkodzenia oraz stanowić właściwą ochronę antybakteryjną, ponieważ drogi oddechowe są szczególnie narażone na zanieczyszczenia i infekcje. Główne zadanie rusztowań polega na utrzymaniu komórek oraz zapewnieniu im warunków, możliwie jak najbardziej podobnych do panujących w naturalnym organizmie. Istnieje również możliwość wprowadzenia implantu w miejsce ubytku bez wcześniejszego zasiedlania komórkami. Często w trakcie operacji chirurgicznej i przygotowywania miejsca przeszczepu powstają wióry kostne. Mogą zostać one wykorzystane do pokrycia rusztowania przed wprowadzeniem w miejsce ubytku.. W ramach pracy opracowane zostały różne materiały mające wspomagać proces regeneracji i rekonstrukcji tkanek kostnych i chrzęstnych nosa. Opracowana została metoda wytwarzania modyfikowanych przestrzennych rusztowań przy zastosowaniu drukarki 3D, techniką FDM. Wytworzono własny filament, metodą wtrysku, w postaci sztyftów, które mogą być ze sobą łączone. Zazwyczaj filamenty do druku 3D dostarczane są w postaci szpuli. Wytwarzanie. bardziej. zróżnicowanych. przestrzennych. rusztowań. wymaga. wtedy. zatrzymania procesu i konieczności zmiany filamentu lub zastosowania droższych wersji drukarek umożliwiających drukowanie z kilku filamentów jednocześnie. Filamenty z materiałów zatwierdzonych przez FDA są bardzo drogie i bardzo rzadko istnieje konieczność zużycia całej szpuli do wytworzenia implantu. Większość przeszczepów stosowana w pierwotnej plastyce nosa ma mniej niż 25 mm długości, 15 mm szerokości i około 1,5 mm grubości. Dlatego zalety opracowanego w ramach pracy sposobu wytwarzania rusztowań z krótkich, modyfikowanych polimerowych sztyftów są następujące: niskie zużycie biomateriału, możliwość dowolnego kształtowania geometrii implantu, dostosowanie rusztowania do kształtu ubytku. Zastosowanie filamentu w postaci sztyftów podczas procesu drukowania rusztowań tkankowych umożliwi produkcję rusztowań zmodyfikowanych bioaktywnymi lub antybakteryjnymi dodatkami (w zależności od potrzeb chirurga), bez konieczności zmiany szpuli, przy zastosowaniu komercyjnie dostępnej drukarki 3D, co sprawi, że procesy produkcji rusztowań będą bardziej wydajne i możliwe do przeprowadzenia nawet na sali operacyjnej. Przestrzenne rusztowania wytwarzane w ramach pracy wytworzone zostały z dwóch rodzajów polimerów: poli(L-kwasu mlekowego) oraz polikaprolaktonu. Modyfikacja polimeru bioaktywnymi cząstkami ceramicznymi 18.

(19) (bioaktywne szkła krzemianowe, bioszkło modyfikowane cynkiem) oraz grafenem, materiałem o właściwościach antybakteryjnych, umożliwiła otrzymanie kompozytowych rusztowań, zdolnych do wywoływania oczekiwanej odpowiedzi biologicznej. Opracowano geometrię podłoży zgodnie z wymaganiami chirurgów, umożliwiającą ich przyszycie do otaczających tkanek, przyjmując założenie, że pory w podłożu powinny pozwalać na łatwe przeprowadzenie. zakrzywionej. igły. chirurgicznej. przez. implant,. bez. zniszczenia. mikrostruktury implantu. Ponieważ z obecnością dużych porów w podłożu związane jest ryzyko niewłaściwego zasiedlenia rusztowania komórkami, w ramach pracy opracowano sposób wytwarzania, metodą elektroprzędzenia, włóknistych bioaktywnych membran mających na celu właściwe rozprowadzenie komórek we wnętrzu drukowanego przestrzennego rusztowania. Opracowano parametry procesu elektroprzędzenia dla żelatyny modyfikowanej lekiem (osteogenon) sprzyjającym regeneracji tkanek. Żelatyna w środowisku płynów ustrojowych zmienia się w żel. Jeżeli na powierzchni włókniny z żelatyny posadzimy komórki to pod wpływem obecności medium komórkowego zostaną one zawieszone w żelu umożliwiającym odpowiednie rozprowadzenie komórek we wnętrzu porowatego rusztowania. Często uszkodzenie nosa związane jest nie tylko ze zniszczeniem chrząstki ale również z uszkodzeniem tkanki kostnej. Dlatego innym rodzajem materiałów opracowanych w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej były membrany mające stanowić barierę pomiędzy implantem wprowadzonym w miejsce ubytku tkanki chrzęstnej a graniczącą z miejscem ubytku tkanką kostną. Membrany wytwarzano z polikaprolaktonu modyfikowanego bioszkłem i bioszkłem z cynkiem oraz lekiem przyspieszającym regenerację tkanki kostnej. Naniesienie włóknistej membrany na porowate rusztowanie wytworzone w technologii 3D powinno zapewnić właściwy rozwój komórek w rusztowaniu zapobiegając wrastaniu tkanki kostnej do wnętrza implantu.. Przeprowadzone w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej eksperymenty dostarczają wielu cennych informacji na temat możliwości połączenia dwóch metod otrzymywania podłoży, a mianowicie druku 3D i elektroprzędzenia, w celu wytwarzania modyfikowanych warstwowych podłoży do rekonstrukcji tkanki chrzęstnej i kostnej nosa.. 19.

(20) Praca została podzielona na 3 części. W pierwszej zawarto szczegółowy przegląd literatury dotyczący budowy i funkcji nosa, uszkodzeń chrząstek nosa oraz metod ich chirurgicznej rekonstrukcji. Szczególną uwagę poświęcono wymaganiom stawianym materiałom przeznaczonym do rekonstrukcji tkanki kostnej i chrzęstnej. Tą część pracy zamyka dokładny opis metod otrzymywania podłoży przeznaczonych dla inżynierii tkankowej takich jak elektroprzędzenie i druk 3D. Drugą część pracy stanowi cel i teza pracy z wyszczególnieniem zakresu pracy omówionego dokładnie w części trzeciej. Część trzecia to część doświadczalna pracy, zawierająca opis stosowanych metod pomiarowych, metod otrzymywania materiałów z podziałem na szczegółowy opis różnych rodzajów wytworzonych membran i podłoży. Całość pracy zakończona jest podsumowaniem i wnioskami.. 20.

(21) 1.. PRZEGLĄD LITERATURY. 1.1. Budowa nosa. Nos odgrywa kluczową rolę w proporcjach i harmonii twarzy. Pełni nie tylko funkcję estetyczną ale jest także funkcjonalnym organem, będącym kanałem przepływu powietrza, odpowiedzialnym za rozpoznawanie zapachów, ogrzewanie i nawilżenie powietrza oraz pełniącym rolę bariery ochronnej przed bakteriami, wirusami i ciałami obcymi [1]. Estetyka nosa, ze względu na centralne położenie na twarzy, może mieć głęboki wpływ na sposób, w jaki człowiek jest postrzegany przez świat zewnętrzny. Ostatnie badania wykazały, że pacjenci, którzy posiadają zniekształcenia skórne w centralnej części twarzy, znacznie częściej postrzegani są, jako mniej atrakcyjni. Pacjenci, którzy są postrzegani negatywnie, w wyniku zniekształcenia nosa mogą mieć zwiększone trudności w interakcji z innymi, w sytuacjach społecznych lub w miejscu pracy [2,3]. Położony centralnie nos zewnętrzny ma kształt trójściennej piramidy (Rys. 1.2a). W budowie zewnętrznej składa się z nasady, znajdującej się w górnej jego części, trzonu oraz wierzchołka. W ścianach bocznych znajduje się skrzydło nosa. Nos wewnętrzny składa się z dwóch jam nosowych, oddzielonych przegrodą kostno-chrzęstną. Wejście do jam nosowych stanowią nozdrza przednie, ograniczone skrzydłami nosa, wierzchołkiem nosa i dolnym brzegiem przegrody nosa [4, 5]. Kształt nosa uwarunkowany jest dziedzicznie. Ze względu na kształt profilu nosa wyróżnia się: nos prosty, wypukły, haczykowaty i wklęsły (Rys. 1.1) [6].. Rys. 1.1 Różne kształty profilu nosa zewnętrznego [7]. 21.

(22) Rusztowanie zewnętrzne nosa stanowią parzyste struktury kostne: wyrostki czołowe szczęk, wyrostki nosowe kości czołowych oraz kości nosowe. Przedłużenie szkieletu kostnego stanowią chrząstki (Rys. 1.2b). Szkielet chrzęstny tworzą trzy główne chrząstki: chrząstka przegrody nosa (zlokalizowana jest w linii pośrodkowej), parzyste chrząstki boczne nosa, chrząstki skrzydłowe większe oraz chrząstki skrzydłowe mniejsze, chrząstki dodatkowe nosa i chrząstka lemieszowo-nosowa [8, 9]. Chrząstki boczne nosa łączą się z przegrodą nosową i kośćmi nosowymi. Poniżej chrząstek skrzydłowych bocznych znajdują się chrząstki skrzydłowe większe oraz chrząstki skrzydłowe mniejsze [10]. Wszystkie wolne przestrzenie, niezajęte chrząstkami wypełnione są łącznotkankową błoną włóknistą, zwykle bardzo odporną. Jej rolą jest połączenie ze sobą poszczególnych chrząstek oraz chrząstek z podłożem kostnym. Błona włóknista pochodzi od okostnej i ochrzęstnej pokrywającej kości i chrząstki [11]. Po odcięciu aparatu chrząstkowego i włóknistego od jego podłoża kostnego, wzdłuż brzegu otworu gruszkowatego, można odchylić nos miękki, zyskując szeroki dostęp, dla zabiegów chirurgicznych. Tkanki otaczające chrząstki nosowe decydują o kształcie i stabilności nosa, wpływając na jego właściwe funkcjonowanie. Dlatego podczas operacji chirurgicznych związanych z wprowadzaniem wszczepu należy postępować ostrożnie, zachowując połączenie między chrząstkami i otaczającymi je tkankami [12]. Błona włóknista wyściela przedsionek nosa, który od góry odgraniczony jest od jamy nosowej właściwej, wyraźnym fałdem zwanym progiem nosa (uwypuklony górny brzeg bocznej odnogi chrząstki skrzydłowej większej) [13, 9]. Na powierzchni progu błona śluzowa jamy nosowej przechodzi stopniowo w skórę. Błona śluzowa wyścielona jest wielowarstwowym nabłonkiem płaskim, zawierającym liczne gruczoły łojowe oraz potowe. Krótkie grube włosy, wyrastające z błony śluzowej, mają na celu oczyszczać wdychane powietrze, zatrzymując ciała obce [14, 15]. Zewnętrznie szkielet nosa pokrywa warstwa mięśni: mięsień podłużny nosa, miesień nosowy, mięsień obniżacz przegrody oraz miesień dźwigacz wargi górnej i skrzydła nosa. Warstwa mięśni pokryta jest skórą [11, 13].. 22.

(23) Rys. 1.2 Anatomia ludzkich chrząstek nosa i otaczających tkanek: (a) boczny widok z przodu nienaruszonego nosa zewnętrznego, (b) boczny widok z przodu z usuniętą skórą, pokazana przegroda, chrząstka boczna, chrząstka skrzydłowa większa i mniejsza, chrząstka dodatkowa,. włóknista. tkanka. tłuszczowa,. 23. kości. twarzy;. (c). widok. z. przodu.

(24) z usuniętą skórą, pokazana przegroda, chrząstka boczna, chrząstka skrzydłowa większa, tkanka włóknisto-tłuszczowa i kości twarzowe; (d) widok od dołu na przegrodę i chrząstkę skrzydłową większą; (e) boczny widok z przodu, z usuniętą skórą i tkanką włóknistotłuszczową, pokazana przegroda, chrząstka boczna, chrząstka skrzydłowa większa i kości twarzy; (f) przekrój w płaszczyźnie strzałkowej, widoczna chrząstka przegrody i kości; (g) morfologia komórek i lokalizacja w chrząstce przegrody, chrząstce bocznej i chrząstce skrzydłowej większej [12]. Chrząstki nosa Struktura i funkcja chrząstek nosowych mają kluczowe znaczenie przy doborze przeszczepu w rhinoplastyce (operacje nosa mające na celu zmianę kształtu, poprawę wyglądu), jak również, podczas wytwarzania funkcjonalnych tkanek zastępczych metodami inżynierii tkankowej [16, 17]. Integralność strukturalna chrząstek nosowych odgrywa ogromną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu układu oddechowego. Nos odpowiedzialny jest za dostarczanie ogrzanego, nawilżonego i przefiltrowanego powietrza do płuc [3, 15]. Chrząstka przegrody nosa utworzona jest z blaszki, w kształcie nieregularnej czworobocznej płytki położonej pośrodkowo przed przegrodą kostną. Przegroda dzieli jamę nosową na dwie komory i wchodzi w anatomiczny skład nosowej drogi oddechowej [1, 18]. Chrząstka ta kontaktuje się od dołu z lemieszem, a od tyłu z blaszką pionową kości sitowej [19]. Od góry zrośnięta jest z chrząstkami bocznymi, tworząc grzbiet nosa, a jej przedłużenie stanowi część ruchoma przegrody. Przegroda rzadko jest ustawiona ściśle pionowo, zazwyczaj jest wygięta bocznie, przy czym częściej w stronę prawą [14, 20]. Chrząstka boczna nosa przyjmuje kształt trójkątnej cienkiej płytki, łączącej się swoją podstawą z chrząstką przegrody nosa (Rys. 2b-c). Chrząstka od góry łączy się z kośćmi nosowymi (zapewniając stabilność i wytrzymałość mechaniczną nosa), od dołu połączona jest z boczną odnogą chrząstki skrzydłowej większej, a od tyłu kontaktuje się z wyrostkiem czołowym szczęki [13, 21]. Chrząstka skrzydłowa większa jest bardzo cienka. Otacza ona nozdrza od strony bocznej, przyśrodkowej oraz od przodu. Chrząstka ta składa się z dwóch zagiętych haczykowato odnóg (bocznej i przyśrodkowej), przechodzących jedna w drugą. Szersza odnoga boczna, 24.

(25) tworzy skrzydło nosa i kontaktuje się z analogiczną odnogą przeciwległej chrząstki, tworząc wyczuwalne lub widoczne na czubku nosa zagłębienie. Odnogi połączone są ze sobą luźną tkanką łączną, oraz pokryte skórą ograniczają nozdrza przednie od strony przyśrodkowej, tworząc część ruchomą przegrody nosa [11, 12, 13]. Chrząstki skrzydłowe mniejsze zlokalizowane są tuż za odnogą boczną chrząstki skrzydłowej większej. Chrząstki dodatkowe nosa znajdują się pomiędzy chrząstkami skrzydłowymi większymi, a chrząstkami nosowymi bocznymi. Chrząstka lemieszowo-nosowa położona jest u podstawy chrząstki przegrody nosa, tuż za kolcem nosowym przednim [4, 11]. Obszar zastawki nosa określany jest, jako przestrzeń zawarta pomiędzy dolnym brzegiem chrząstki bocznej nosa, przegrodą nosa, a tkankami dolnej ściany jamy nosowej. Zastawka stanowi najwęższe miejsce w drodze przepływu powietrza. Zastawka wraz z małżowinami nosowymi tworzy mechanizm regulujący stopień wentylacji i decyduje o wielkości przepływu powietrza. Odgrywa także główną rolę w ogólnej anatomii kształtu nosa [12, 15] Morfologia chrząstki Tkanka chrzęstna w organizmie człowieka występuje w połączeniach maziowych, kręgosłupie, żebrach, uszach zewnętrznych, nosie i drogach oddechowych (Rys. 1.3a) [22]. Pod względem budowy rozróżnia się chrząstkę szklistą, sprężystą oraz włóknistą (Rys. 1.3b, c, d). Wszystkie trzy typy mają niską gęstość komórek (chondrocytów). Zarówno skład, jaki i budowa macierzy chrzęstnej decydują o właściwościach mechanicznych i biologicznych tkanki [23]. Dominującą tkankę chrzęstną w organizmie człowieka stanowi chrząstka szklista (Rys. 1.3a), tworząca między innymi chrząstki nosowe [24, 25]. Charakteryzuje się ona dużą elastycznością, jak również wytrzymałością, które są następstwem obecności gęstej sieci macierzy zewnątrzkomórkowej. W wyniku dużej gęstości, do chrząstki nie przenikają naczynia krwionośnie, limfatyczne oraz nerwy.. 25.

(26) Rys. 1.3 Lokalizacje anatomiczne (a): chrząstki szklistej (niebieska), chrząstki włóknistej (żółta) i chrząstki sprężystej (czerwona), mikroskopowa struktura chrząstki: (b) szklistej; (c) sprężystej; (d) włóknistej [22]. Tkanka chrzęstna składa się z komórek zwanych chondrocytami oraz z wytwarzanej przez nie macierzy zewnątrzkomórkowej. Macierz chrzęstna składa się z wody (60-80% całej masy), białek kolagenowych (60% suchej masy) i agregatów proteoglikanów (30% suchej masy). Istotnym składnikiem macierzy są białka kolagenowe tworzące włókna. Chondrocyty będące komórkami pochodzenia mezenchymatycznego stanowią około 1% objętości chrząstki. Tkanka chrzęstna, ze względu na brak unaczynienia i unerwienia jest tkanką mało 26.

(27) immunogenną, w związku z czym jej regeneracja nie jest możliwa. Poszczególne elementy wykazują właściwości antygenowe i po przeszczepieniu mogą być celem odpowiedzi immunologicznej [23, 25, 26]. Mikrostruktura chrząstki W. chrząstce. nosa. wyróżniamy. strefę. powierzchniową,. pośrednią. i. centralną. (Rys. 1.2g). W przypadku chrząstki skrzydłowej większej, w strefie centralnej komórki bywają większei bardziej zaokrąglone, w odróżnieniu od strefy powierzchniowej. W szczególności, w przypadku chrząstki przegrody nosa, chondrocyty w strefie powierzchniowej są małe i płaskie. W strefie centralnej zlokalizowane są okrągłe chondrocyty, ułożone pojedynczo lub w kolumnach. W strefie pośredniej występują komórki o mniej owalnym kształcie. Najniższa gęstość chondrocytów znajduje się w strefie centralnej. W chrząstce skrzydłowej większej, w strefie powierzchniowej, organizacja komórkowa wygląda podobnie jak w chrząstce przegrody. Natomiast charakteryzuje się ona większą zawartością komórek niż w strefie centralnej. Chrząstka boczna nosa posiada większą zawartość komórek, niż chrząstka skrzydłowa większa [12, 27]. 1.2. Przyczyny uszkodzeń chrząstki nosa. Uraz nosa może dotyczyć uszkodzenia tkanki miękkiej, chrzęstnej i kostnej [28]. Uszkodzenia lub zniekształcenia chrząstki nosa prowadzą do pogorszenia funkcji dróg oddechowych oraz zniekształcenia kształtu. Mogą powstawać w wyniku wad wrodzonych, nieudanych operacji, nowotworów lub urazów [29, 30]. Etiologia patologii chrząstek nosa jest procesem wieloczynnikowym. Występujące patologie mogą być dziedziczne, wrodzone bądź nabyte. Wady mogą powstawać w okresie prenatalnym, podczas porodu, czy też w wieku dziecięcym. Dotyczą one nieregularnego wzrostu i rozwoju szczęk oraz zatok szczękowych, deformacji podniebienia oraz zrośnięcia tylnych nozdrzy, wyrzynania zębów siecznych, czy nawykowego ssania kciuka [31, 32, 33, 34]. Jednakże najczęstszą przyczynę uszkodzeń przegrody nosa stanowią urazy [35]. Najpopularniejsza deformacja nosa dotyczy skrzywienia przegrody nosowej (80% ogólnej populacji), co utrudnia oddychanie [18, 31]. Zazwyczaj złamanie lokalizowane jest powyżej lub przed połączeniami kostno-chrzęstnym. Złamania prowadzą do przemieszczenia 27.

(28) przegrody od struktur szczęki i kolca nosowego przedniego, pozostawiając połączenie kostno-chrzęstne. [35].. Zniekształcona. przegroda. może. zaburzać. drożność. dróg. oddechowych, zaburzać węch, nawilżanie i regulację temperatury, a w skrajnych przypadkach może prowadzić do pełnej zapaści i deformacji nosa [36, 37, 38]. Istniej ryzyko oderwania chrząstki bocznej nosa podczas zabiegu rhinoplastyki. Złamanie chrząstki skrzydłowej większej występuje rzadko, natomiast powszechne są deformacje powstające w wyniku urazu oraz nadmiernej resekcji podczas operacji [12, 30]. Deformacja lub nadmierna resekcja chrząstki skrzydłowej większej, często powodują zwężenie zastawki zewnętrznej i upośledzenie drożności dróg oddechowych [39]. Integralność wszystkich struktur chrzęstnych jest kluczowa dla prawidłowych funkcji oddechowych. Nos jest najczęstszym miejscem występowania raka skóry na twarzy, co może wymagać usunięcia nosa i powodować powstanie głębokiego ubytku [40, 41, 42, 43]. W takim przypadku, aby przywrócić stabilność nosa podczas rekonstrukcji, należy zastosować przeszczep lub substytut chrząstki. Innym powodem uszkodzeń nosa są oparzenia twarzy [44]. Spalenie okolic nosa prowadzi do zakażenia, bliznowacenia i przykurczu rany, co w konsekwencji wywołuje znaczne deformacje również struktur kostnych. Problem ten dotyczy głównie weteranów wojennych, u których na skutek wybuchów, dochodzi do poparzeń głowy, szyi i dróg oddechowych, a tym samym do deformacji okolic nosa [12, 45]. Perforacja przegrody nosa jest poważnym problemem, zarówno dla chirurgów, jak i otolaryngologów [46, 47]. Przyczynami powstawania mogą być: urazy, samookaleczenia, alergie, przewlekły zanikowy nieżyt nosa, nowotwory, środki chemiczne, niektóre leki, kokaina, choroby układowe tkanki łącznej, a także powikłania po zabiegach operacyjnych [48, 49]. Ubytek ten może powodować nawracające się krwawienia, strupy tworzące się w przewodach nosowych, zaburzenia oddychania, bóle głowy oraz infekcje górnych dróg oddechowych. Leczenie chirurgiczne, szczególnie dużych perforacji, jest bardzo trudne ze względu na zanikowe zmiany błony śluzowej nosa oraz brak dostatecznej ilości tkanki do rekonstrukcji [49, 50]. Perforacja przegrody nosa dotyczy najczęściej odcinka chrzęstnego, dlatego oczekuje się, aby materiał do rekonstrukcji wykazywał właściwości chondrogenne, wspomagające różnicowanie chrzęstne [43]. Rozpowszechnienie i złożoność urazów nosa stanowią potrzebę chirurgicznego korygowania nosa poprzez zastosowanie odpowiednich materiałów na przeszczepy. 28.

(29) 1.3. Rhinoplastyka i septoplastyka. Operacje nosa rzadko wykonywane są w celu ratowania życia pacjenta. Niemniej jednak występujące zaburzenia funkcji dróg oddechowych, mają negatywny wpływ na zdrowie pacjenta i niosą ze sobą negatywne konsekwencje społeczne i psychologiczne. Niedrożność dróg oddechowych może prowadzić do nawracającej infekcji zatok, krwawienia z nosa, bólów głowy, bezsenności i bezdechu sennego, które w znaczący sposób wpływają na jakość życia pacjenta. Trudności w oddychaniu mogą również prowadzić do przewlekłego stanu niedotlenienia [ 31, 36, 51]. Badania wykazały, iż negatywne skutki deformacji twarzy stanowią przeszkodę w rozwoju interpersonalnym [31]. Nieestetyczny wygląd nosa wpływa negatywnie na własną samoocenę [52]. Ponadto skrzywiona przegroda nosa może prowadzić do osłabienia pełnionej funkcji podporowej [19]. Rozwiązaniem przyczyniającm się do poprawy jakości życia osób borykających się dysfunkcjami i deformacjami nosa są skuteczne zabiegi plastyki nosa [53]. Rhinoplastyka i septoplastyka to najczęściej wykonywane procedury w leczeniu i korekcji nosa. W chirurgii plastycznej nosa, przeszczep wykorzystywany do zmiany struktury nosowej używany jest w celach funkcjonalnych lub kosmetycznych. Rekonstrukcje mające na celu odbudowę kształtu i funkcji nosa przeprowadza się w przypadku braku lub poważnych uszkodzeń chrząstki, w wyniku wad wrodzonych lub procedur medycznych [31, 54]. Oprócz zmiany kształtu lub rekonfiguracji chrząstek nosowych, chirurdzy wykorzystują przeszczepy chrząstki do mechanicznego wzmocnienia konstrukcji nosa. Przeszczepy są przyszywane do już istniejących struktur chrząstki, aby zwiększyć wytrzymałość lub zmienić ich rozmiar i kształt. Przeszczepy bez obciążenia, takie jak przeszczepy powięzi chrząstki, w znacznej mierze odgrywają funkcje kosmetyczną i mają za zadanie wypełniać objętość ubytku [55]. Jednak większość przeszczepów pełni funkcje mechaniczną i musi posiadać odpowiednią wytrzymałość, aby przeciwstawić się zarówno siłom statycznym, np. grawitacji jak również współgrać z przykurczem gojenia ran oraz siłami dynamicznymi, takimi jak cykliczna deformacja zastawki nosowej i skurcz mięśni [54, 56].. 29.

(30) Inny przykład stanowią przeszczepy przedłużające przegrodę nosa. Tego typu przeszczepy są przyszywane do chrząstki skrzydłowej większej i mają na celu zmienić jej kształt oraz stanowić wsparcie wierzchołka nosa (Rys. 1.4 a). Przeszczepy takie muszą wykazywać wysoką wytrzymałość mechaniczną, aby oprzeć się wywieranym na nie siłom i zachować prosty kształt. Wiele operacji w obrębie plastyki nosa dotyczy zmniejszenia deformacji chrząstki bocznej nosa i chrząstki skrzydłowej większej, poprzez usztywnienie struktur tych chrząstek lub poprzez zwiększenie pola przekroju poprzecznego zastawki nosowej, a tym samym zmniejszenie wywieranego ciśnienia.. Rys. 1.4 Przeszczepy chrząstki powszechnie stosowane w zabiegach plastyki nosa: (a) widok nosa z przodu pokazujący anatomiczne umieszczenie przeszczepu rozbudowującego przegrodę nosa, przeszczepy listew skrzydłowych i przeszczepy w postaci bocznych podpór, (b) widok z boku pokazujący anatomiczne umieszczenie przeszczepu rozbudowującego przegrodę nosa; (c) widok z boku pokazujący anatomiczne umieszczenie przeszczepu listwy skrzydłowej i przeszczepu bocznej podpory w stosunku do chrząstki bocznej i chrząstki skrzydłowej większej [12]. Przeszczepy skrzydłowych listew umieszczane są w miejscu maksymalnej bocznej deformacji ściany, w celu wsparcia tego obszaru podczas wdechu, aby zapobiec zawaleniu się zastawki nosowej (Rys. 1.4 b) [12, 55]. Przeszczepy w kształcie bocznych podpór zapewniają wsparcie chrząstkom skrzydłowym większym i mają za zadanie przeciwdziałać ich obniżeniu i przesunięciu do tyłu lub też celowo zmienić ich kształt bądź położenie (Rys. 1.4 c). 30.

(31) Przeszczepy są umieszczone bocznie pod chrząstką skrzydłową większą, tworząc strukturę warstwową, która zapewnia wytrzymałość na zginanie. Przeszczepy powinny zmniejszać dystalną boczną ścianę nosową, w celu poprawy drożności zewnętrznej zastawki nosowej. Naturalną krzywiznę w przeszczepach można wykorzystać do wyrównania nieprawidłowej krzywizny chrząstki [12, 54]. W septoplastyce, zdeformowana przegroda nosowa jest albo przekształcana in situ, albo częściej, chrząstka z środkowej części przegrody jest usuwana. Pojawia się wtedy konieczność zastąpienia brakującej chrząstki. Zapotrzebowanie na tkankę chrzęstną do przeszczepu różni się w zależności od potrzeb klinicznych pacjenta [12]. Wśród zabiegów związanych z chirurgią nosa, takich jak septoplastyka i rhinoplatyka kluczowe znaczenie ma dobór i dopasowanie odpowiedniego materiału do rekonstrukcji nosa, zarówno pod względem funkcjonalnym jak i estetycznym, co wpływa na powodzenie zabiegu [57]. W zabiegach rinoplatyki i septoplatyki stosuje się przeszczepy autologiczne, allogenicznie i syntetyczne. Przeszczepy autologiczne Zastosowanie wszczepów autologicznych jest najskuteczniejszą metodą korekcji chrząstek nosa. Chrząstka jest prawie idealnym materiałem do implantacji ze względu na doskonałą biotolerancję, niskie ryzyko infekcji i odrzucenia. Chrząstka posiada doskonałą elastyczność, wytrzymałość, jest łatwa do kształtowania. Autologiczna chrząstka przegrody nosa jest preferowanym źródłem chrząstki na przeszczepy, ponieważ posiada prosty kształt i jest dostępna, jednak jej ilość jest ograniczona [53, 58, 59, 60]. Ograniczenia w stosowaniu chrząstki przegrody stanowi jej niewielki rozmiar, co wiąże się z niewystarczającą ilością materiału do przeszczepu, który można pobrać bez zaburzania integralności strukturalnej nosa. Dodatkową wadą jest brak zdolności organizmu do regeneracji chrząstki szklistej, w wyniku czego przy każdej procedurze pobrania chrząstki, pozostawałoby coraz mniej tkanki [61]. W chirurgii korekcyjnej, chrząstka przegrody jest prawie zawsze wyczerpana. We wszystkich przypadkach pobranie chrząstki pacjenta do przeszczepu powoduje stany chorobowe i infekcje w miejscu pobrania oraz może wpłynąć na osłabienie konstrukcji nosa [53, 56, 57]. 31.

(32) U pacjentów ze zmniejszoną ilością chrząstki przegrody lub kiedy jej struktura jest wygięta, słaba lub cienka, alternatywną chrząstką do przeszczepu są autologiczne chrząstki uszne bądź żebrowe [62]. Pobranie chrząstki usznej do przeszczepu jest prostsze niż pozyskanie chrząstki żebrowej. Istnieją przypadki, w których pożądane jest zastosowanie chrząstki usznej, ze względu na wymagane zastosowanie cienkich i zakrzywionych kawałków. Pomimo łatwego dostępu, wykorzystanie chrząstki usznej do przeszczepów jest ograniczone, w związku z jej niewielkim rozmiarem. Również zazwyczaj jej zakrzywiony kształt, mniejsza grubość i sztywność w porównaniu z chrząstką przegrody nosa, ogranicza jej zastosowanie [41, 63, 64]. Alternatywnie, można wykorzystać region chrzęstny lub skrzydłowy z żebra pacjenta (zwykle od 5 do 12 żebra). Chrząstka żebrowa znajduje zastosowanie w przeszczepach, wymagających dużych lub wytrzymałych mechanicznie kawałków chrząstki, do powiększenia grzbietowego lub do całkowitej rekonstrukcji nosa, np. w przypadku nowotworu [42, 58]. Pobranie chrząstki żebrowej wymaga małego nacięcia klatki piersiowej, lecz może być obarczone powikłaniami takimi jak odma opłucnowa, pęknięcie implantu piersi czy zakażenie w miejscu pobrania. Inne potencjalne komplikacje obejmują bliznowacenie w miejscu poboru i przedłużający się ból pooperacyjny [42]. Najczęściej występujący problem związany z użyciem chrząstki żebrowej, stanowi wykrzywienie tkanki do przeszczepu [53, 65, 66]. Chociaż autologiczne przeszczepy chrząstki usznej i żebrowej stanowią alternatywne źródła przeszczepu, żadna tkanka nie przedstawia idealnego rozwiązania zapewniającego dostateczną ilość chrząstki koniecznej do korekcji nosa. W rozwiązaniach tych występują ograniczenia związane z niedostateczną ilością tkanki do pobrania, kształtem pobranej tkanki oraz możliwością wystąpienia powikłań w miejscu ich pobrania. Oprócz autologicznych przeszczepów chrząstki, występują rozwiązania przeszczepów, zawierające kombinacje chrząstki z innymi tkankami, jak również zastosowanie innych tkanek bez udziału chrząstki. Przykładem jest skóra, powięź lub tkanka tłuszczowa [47, 53, 55, 56]. Przeszczepy allogeniczne Przeszczepy allogeniczne (chrząstka do przeszczepu nie pochodzi od biorcy, ale pobierana jest od innego pacjenta) są alternatywą dla przeszczepów autologicznych. Rozwiązania te 32.

(33) dostarczają większej ilości tkanki i nie przyczyniają się do powstawania dwóch oddzielnych miejsc operacyjnych u jednego pacjenta. Przeszczepy allogeniczne są jednak obarczone ryzykiem przeniesienia choroby, infekcją a nawet odrzuceniem przeszczepu przez organizm [40, 65, 66, 67].. Rys. 1.5 Rhinoplastyka: (a) struktury anatomiczne nosa; (b) struktury anatomiczne wraz z implantem wczepionym do grzbietowej części nosa. Przeszczepy syntetyczne Implanty syntetyczne lub alloplasty są dostępne, jako alternatywa dla autologicznych przeszczepów tkanek do korekcji nosa. Najczęściej implanty są wykonane z silikonu, porowatego polietylenu o dużej gęstości (Med-Por) lub politetrafluoroetylenu (Gore-Tex) [53]. Silikon jest polimerem usieciowanym przez grupy boczne metylu. Stopień usieciowania określa stan fizyczny (od lepkiego żelu do gumowatego ciała stałego.) Był to pierwszy alloplast znajdujący szerokie zastosowanie w chirurgii plastycznej twarzy [55]. Silikon jest nieporowaty,. po. wszczepieniu. otoczony. zostaje. cienką. torebką. łącznotkankową. i zachowuje się jak ciało obce. Główną wadą silikonu jest jego ruchomość po implantacji i możliwość odrzucenia w przypadku urazu. Istnieje również zwiększone ryzyko powstania. 33.

(34) infekcji w porównaniu z porowatymi implantami. Stosowanie implantów silikonowych w nosie zostało ograniczone przez nadmierną mobilność i duże ryzyko odrzucenia. W konsekwencji materiał nie spełnia oczekiwań w rekonstrukcji chrząstek nosa [53, 54, 68]. Medpor (HDPE) to biomateriał składający się z porowatego polietylenu o dużej gęstości, z porami o rozmiarach od 100 do 250 µm (Rys. 1.6), których rozmiar pozwala na wrastanie tkanki, zwiększając tym samym umocowanie mechaniczne i uniemożliwiając przemieszczenie się biomateriału podczas urazu. Wrastanie tkanek i naczyń krwionośnych zmniejsza również ryzyko infekcji. Materiał ten jest łatwy w kształtowaniu i dostępny jest w różnych kształtach (Rys. 1.7). Większość powikłań z jego zastosowaniem stanowią infekcje, wymagające usunięcia implantu [53, 69].. Rys. 1.7. Obraz SEM porowatego implantu polietylenowego (HDPE); wielkość porów: 150–200 µm [55].. 34.

(35) Rys. 1.6. Różne rozmiary i kształty implantów Medpor [69]. Politetrafluoroetylen (PTFE, Gore-Tex) jest mikroporowatym alloplastem o wielkości porów od 10 do 30 µm. Mikroskopowo składa się z wielu połączonych włókienek zorientowanych na wzór podobny do siatki. Gore-Tex jest produkowany w arkuszach o różnej grubości, które mogą być łatwo cięte, co daje możliwość nadawania im odpowiednich kształtów i rozmiarów. Chociaż Gore-Tex jest materiałem porowatym, infiltracja tkanek jest ograniczona ze względu na średni rozmiar wielkości porów wynoszący 22 µm. Zastosowanie Gore-Texu w porównaniu do silikonu zmniejsza ryzyko wystąpienia infekcji i odrzucenia implantu [54, 69]. Innym przykładem materiału stosowanego na implanty nosa jest Lactosorb (Biomet Microfixation, Jacksonville, FL). Jest to syntetyczny materiał, który składa się w 82% z kwasu polimlekowego i 18% z kwasu poliglikolowego. Po upływie 1 roku zostaje całkowicie wchłonięty i zastąpiony wrastającą tkanką, jednakże jego właściwości mechaniczne są niewystarczające do przejęcia funkcji pełnionej wcześniej przez tkankę [54]. Syntetyczne implanty posiadają kształty idealnie dopasowane do miejsca ubytku, ponadto można je łatwo kształtować, dzięki czemu skraca się zarówno czas jak i koszty zabiegu chirurgicznego związanego z przygotowaniem i wszczepieniem implantu, usprawniając tym samym procedury chirurgiczne. Implanty syntetyczne są łatwo dostępne na rynku. Pomimo wymienionych zalet wszczepów syntetycznych, ich użycie często związane jest występowaniem powikłań, takich jak zapalenie, infekcja, dyslokacja i odrzucenie. Współczynniki infekcji związane z zastosowanie implantów silikonowych, MedPor i Gore-Tex wynoszą odpowiednio 3,9%, 20% i 5,3% [12, 40, 65, 70]. Wady i zalety poszczególnych rozwiązań zestawiono w tabeli 1.1. 35.

(36) Tabela 1.1 Wady i zalety dotychczasowych rozwiązań [93].. Chirurdzy w Stanach Zjednoczonych i Europie unikają ich zasosowania w zabiegach plastyki nosa. Ponadto właściwości materiałów syntetycznych są nieporównywalne z właściwościami chrząstki autologicznej, dlatego najbardziej pożądane są autologiczne, ortotopowe źródła chrząstki, jednakże ze względu na ich ograniczoną dostępność są rzadko stosowane. Idealne rozwiązanie stanowiłaby tkanka do przeszczepu posiadająca właściwości odpowiadające, właściwościom tkanki biorcy, charakteryzująca się biokompatybilnością i bioaktywnością, wspomagająca integrację i przyspieszająca proces regeneracji tkanek pacjenta [53, 57, 58]. Pomimo znaczących postępów w inżynierii biomedycznej idealny materiał do przeszczepu nie został jeszcze wytworzony [56, 57].. 36.

(37) Alternatywą dla powyżej opisanych metod zastępowania ubytków tkanki chrzęstnej czy kostnej nosa są metody inżynierii tkankowej. 1.4. Inżynieria tkankowa. Inżynieria tkankowa, jako nowoczesna i interdyscyplinarna dziedzina nauki stanowi gałąź medycyny. regeneracyjnej,. która. łączy. wiedzę. z. zakresu. nauk. biologicznych. i nowoczesnej inżynierii biomateriałów. Jej celem jest poszukiwanie metod, które pozwolą na szybką, skuteczną i wydajną regenerację uszkodzonych tkanek [71]. Uszkodzenie bądź utrata tkanek może dotykać ludzi w każdym wieku. Czynnikami wpływającymi na uszkodzenie tkanek mogą być urazy, zmiany zwyrodnieniowe, przebyte choroby, wady wrodzone i immunologiczne [72]. Tkanka chrzęstna, ze względu na słabe unaczynienie, mały metabolizm tlenowy oraz niewielką zawartość komórek, nie posiada zdolności autoregeneracyjnych [24, 25, 53]. W związku z tym, w momencie jej uszkodzenia wymagana. jest. interwencja. medyczna.. Leczenie. może. przyjmować. charakter. farmakologiczny, bądź polegać na zastąpieniu uszkodzonego lub utraconego fragmentu przeszczepem. Leczenie farmakologiczne może stanowić skuteczną terapię jedynie we wczesnych stadiach choroby [12]. Z kolei syntetyczne wszczepy, nie zawsze integrują się z tkankami organizmu, w związku z czym istnieje ryzyko wystąpienia powikłań infekcyjnych lub odrzucenia wszczepu przez organizm [57, 58, 59]. Dlatego coraz częściej poszukuje się nowych rozwiązań oraz metod alternatywnych, które pozwolą na regeneracje uszkodzonych tkanek, jednoczenie eliminując powyższe problemy [73]. Metody inżynierii tkankowej zakładają, że o prawidłowym przebiegu regeneracji tkanki decydują trzy ściśle związane ze sobą elementy, określane mianem triady inżynierii tkankowej: podłoża tkankowe (rusztowania, biomateriały), komórki, czynniki wzrostu [74, 75, 76, 77]. Pierwszym z elementów są biodegradowalne rusztowania tkankowe, naśladujące matrycę zewnątrzkomórkową (ECM, ang. extracellular matrix) [78], które stanowią jednocześnie miejsce zasiedlenia komórkami i mają za zadanie zapewnić właściwe warunki przestrzenne dla prawidłowego namnażania komórek, a tym samym formowania się nowo powstałej tkanki [78, 79]. Rusztowania powinny posiadać porowatą mikrostrukturę, charakteryzować się mocno rozwiniętą, trójwymiarową budową przestrzenną. Podłoże stanowiące syntetyczną macierz zewnątrzkomórkową powinno być biomimetyczne tzn. 37.

(38) powinno naśladować warunki panujące w organizmie [80, 81]. Drugim elementem niezbędnym w inżynierii tkankowej, są komórki, wykazujące zdolność do adhezji i proliferacji. Trzecim elementem są czynniki wzrostu, m. im. witaminy, aminokwasy, cukry i hormony, które stanowią substancje odżywcze dla komórek [71, 82]. Hodowle komórkowe W inżynierii tkankowej komórki odgrywają jedną z kluczowych ról. Mogą być pozyskiwane z różnych źródeł: 1) komórki ksenogeniczne to komórki pochodzące od gatunku obcego; 2) komórki allogeniczne, przeszczepiane u tego samego gatunku; 3) komórki syngeniczne jednorodne, które pochodzą od identycznych genetycznie osobników; 4) komórki autologiczne, przeszczepiane w obrębie tego samego organizmu [83].. Rys. 1.8 Schemat różnicowania mezenchymalnych komórek macierzystych [84]. Szczególne zainteresowanie budzą mezenchymalne komórki macierzyste (MSC, ang. mesenchymal stem cells) pozyskiwane z tkanek pochodzenia płodowego (krew, sznur pępowinowy, pępowinowa, łożysko) oraz z organizmów dorosłych (szpik kostny i tkanka tłuszczowa) [84]. Wykazano, że MSC można łatwo izolować, a następnie hodować. Komórki te są w stanie różnicować się w wiele typów komórek, mogących dać początek 38.

(39) innym liniom komórkowym, np. kostnym, chrzęstnym czy nerwowym (Rys. 1.8). Ponadto MSC nie są odrzucane przez układ odpornościowy. W Inżynierii tkankowej kluczowym etapem jest pozyskanie oraz hodowla komórek macierzystych w warunkach in vitro [82, 85]. Istotną rolę w pobudzaniu niezróżnicowanych komórek mezenchymalnych do ich różnicowania stanowi proces odżywiania. Do wytworzenia przestrzennych struktur tkankowych (powyżej kilku mm) niezbędne są naczynia krwionośne, które mają dostarczać substancje. odżywcze. i. tlen.. Szybkość. unaczynienia. komórek. osadzonych. w porowatym rusztowaniu determinuje proces regeneracji tkanki [85]. We wcześniejszych latach prowadzono badania in vitro w sposób tradycyjny, obejmujący wykorzystanie dwuwymiarowych podłoży [86, 87]. Kultury komórkowe umieszczane były na płytkach, szklanych (szalkach Pertiego) lub w podłożach płynnych [88]. Skuteczność tych badań została zakwestionowana w ostatnich latach. Uznano, że warunki te stanowczo odbiegają od warunków występujących w organizmie. Stwierdzono brak podobieństwa do naturalnej macierzy zewnątrzkomórkowej. Hodowle nie posiadały przestrzennej i połączonej sieci porów, która umożliwiałaby wzajemną komunikację pomiędzy komórkami. Wykazano, że komórki pochodzące z hodowli 2D posiadają odmienną szybkość wzrostu, inny metabolizm oraz ekspresję genów, w porównaniu z komórkami wyhodowanymi w naturalny sposób. W wyniku tych spostrzeżeń wysunięto wniosek, że tkankę powinno się traktować, jako strukturę przestrzenną [88, 89]. Na podstawie tych spostrzeżeń zaczęto poszukiwać innych rozwiązań, pozwalających na odzwierciedlenie naturalnego środowiska dla proliferacji komórek. Trójwymiarowe hodowle komórkowe prowadzone są z wykorzystaniem przestrzennych rusztowań, wykonanych z biomateriałów [71, 88]. Rusztowania tkankowe Rusztowanie. tkankowe. to trójwymiarowe podłoże do hodowli komórek, które. charakteryzuje przestrzenna budowa, utworzona przez sieć porów. Główne zadanie rusztowań polega na utrzymaniu komórek oraz zapewnieniu im warunków, możliwie jak najbardziej podobnych do panujących w naturalnym organizmie. Komórki wyhodowane na podłożu powinny mieć odpowiedni kształt oraz prawidłowy metabolizm i funkcje życiowe [16]. Podłoża tkankowe najczęściej wytwarzane są z polimerów bioresorbowalnych [90, 91]. Są one zasiedlane komórkami pacjenta. Proces ten rozpoczyna się od pobrania z organizmu 39.

(40) dawcy komórek uszkodzonej tkanki, które w kolejnym etapie namnażane są w hodowlach 2D. Następnie, po uzyskaniu odpowiedniej ilości komórek, zostają one wysiane na rusztowanie. Podłoże wraz z zasiedlonymi komórkami wszczepiane jest do organizmu człowieka (Rys. 1.9a) lub prowadzona jest dalsza hodowla 3D wysianych komórek na rusztowaniu w jałowej komorze bioreaktora (Rys. 1.9b) [92]. Wraz z upływem czasu, w wyniku przemian metabolicznych, rusztowanie tkankowe ulega biodegradacji, do nietoksycznych produktów, które zostają wydalone z organizmu.. Rys. 1.9 Metody inżynierii tkankowej: (a) biomateriały wprowadzone po zasiedleniu komórkami; (b) klasyczne metody inżynierii tkankowej. Komórki wymagają nie tylko rusztowania, które stanowi wsparcie strukturalne i biologiczne, ale także środowiska, które zapewni prawidłową kombinację czynników wzrostu, sygnałów różnicowania, perfuzji składników odżywczych, wymiany gazowej oraz regulacji pH [74]. Optymalne warunki mogą być w dużym stopniu stosowane i kontrolowane przez zastosowanie bioreaktorów, naśladujących wymagane warunki (Rys. 1.10). Bioreaktory są coraz częściej wykorzystywane w celu zapewnienia bardziej złożonych środowisk,. oddziaływując. na. komórki. poprzez. szereg. kontrolowanych. sygnałów. elektrycznych, elektromagnetycznych, biomolekularnych i mechanicznych, podczas różnych interakcji komórka-komórka lub komórka-macierz [93]. 40.

(41) Rys. 1.10 Składniki technologii bioreaktora, podstawowe bodźce środowiskowe [93]. Istnieje również możliwość wprowadzenia implantu w miejsce ubytku bez wcześniejszego zasiedlania komórkami (Rys. 1.11). Często w trakcie operacji chirurgicznej i przygotowywania miejsca przeszczepu powstają wióry kostne. Zostają one wykorzystane do pokrycia implantu przed wprowadzeniem w miejsce ubytku.. Rys. 1.11 Biomateriały wprowadzane w miejsce ubytku bez zasiedlania komórkami. 41.

(42) Biomateriały, z których wykonane są rusztowania tkankowe mogą być zarówno w swej strukturze jak i na powierzchni modyfikowane czynnikami wzrostu lub substancjami aktywnymi farmaceutycznie (API), o kontrolowanym czasie uwalniania. Mogą to być leki przeciwzapalne lub antybiotyki [71]. Rusztowania mające na celu tymczasowo zastępować uszkodzoną tkankę oraz stanowić odpowiednie podłoża do formowania się jej nowych fragmentów, powinny wykazywać takie cechy jak: biokompatybilność, biodegradowalność lub bioresorbowalność, wytrzymałość mechaniczną, posiadać właściwą architekturę i porowatość, osteokondukcyjność lub osteoindukcyjność [78, 79, 94]. O właściwościach mechanicznych podłoży decydują właściwości materiału, z jakiego go wykonano. Im wyższa porowatość materiału, tym niższe własności mechaniczne. Geometria przestrzenna podłoża powinna zapewniać zdolność do przenoszenia części naprężeń oraz ochronę przed nadmiernymi obciążeniami, do czasu kiedy nowo powstająca tkanka nie osiągnie odpowiedniej wytrzymałości [71]. Istotnym parametrem jest również architektura podłoża, decydująca o jego porowatości. Zasadnicze znaczenie ma kształt, wielkość i rozmieszczenie porów w materiale. Strukturę porów można rozpatrywać na poziomie mikro- i nanometrów. Mikrostruktura rusztowania ma znaczenie dla migracji komórek oraz transportu składników odżywczych i produktów ubocznych, natomiast struktura nanometryczna wpływa na adhezję komórek i ekspresję składników ECM [80, 95, 96]. W geometrii rusztowań pożądana jest porowatość otwarta, która pozwoli na zasiedlenie oraz dostarczenie komórek, a jednoczenie umożliwi transport składników odżywczych i metabolitów oraz pozwoli na unaczynienie nowo formującej się tkanki [93, 97]. Porowatość podłoża powinna być dobrana do wielkości komórek tkanki, którą ma zastępować [78, 79]. Materiały osteokonduktywne stanowią nieaktywne rusztowanie dla powstającej tkanki, wspierając. fizycznie. wzrost. tkanki,. wokół. resorbowanego. materiału.. Materiały. osteoinduktywne stanowią nie tylko wsparcie fizyczne, ale również indukują proces regeneracji. Posiadają zdolność wywoływania wewnątrz- i zewnątrzkomórkowej odpowiedzi na wszczep (różnicowanie komórek) [98, 99, 100].. 42.

(43) Inżynieria tkankowa chrząstki Pod wieloma względami wymagania dla inżynierii chrząstki nosa są podobne do powszechnie znanych metod inżynierii tkankowej. Chondrocyty zebrane podczas biopsji z przegrody nosowej można łatwo wyizolować, a następnie pomnożyć w hodowli in vitro, stosując czynniki wzrostu zwiększające ich zdolność do różnicowania i tworzenia funkcjonalnej pozakomórkowej macierzy chrząstki [42]. Inżynieria tkankowa chrząstki (Rys. 1.12) jest obiecującą metodą, która ma zastąpić przeszczepy autologiczne, eliminując ból i konieczność regeneracji rany w miejscu pobrania tkanki [73].. Rys. 1.12. Inżynieria tkanki chrzęstnej nosa. W inżynierii tkankowej chrząstki rusztowania mogą zapewnić trójwymiarową konstrukcję dla adhezji i proliferacji komórek [42]. Co ważniejsze, pośredniczą w sygnalizacji komórkowej, dlatego właściwości fizyczne i biochemiczne rusztowania mają kluczowe znaczenie w procesie naprawczym tkanki [72]. 1.5. Wymagania chirurgów dotyczące właściwości materiałów do regeneracji tkanki kostnej i chrzęstnej. Idealne parametry chrząstki do przeszczepu tkankowego różnią się w zależności od wskazania chirurgicznego, lecz prawie we wszystkich przypadkach wymagana jest płaska i wytrzymała mechanicznie chrząstka. Chrząstka przegrody jest uważana za idealny materiał i złoty standard w rhinoplastyce nosa ze względu na sztywność i prosty kształt [17]. Większość przeszczepów stosowana w pierwotnej plastyce nosa ma mniej niż 25 mm długości, 15 mm szerokości i około 1,5 mm grubości. Alternatywne źródła chrząstki, takie jak ucho lub żebro, są stosowane, gdy 43.

(44) chrząstka przegrody jest niedostępna lub kiedy jej ilość jest niewystarczająca [41, 53, 58, 59]. Dlatego na podstawie aktualnej praktyki chirurgicznej, idealny materiał do przeszczepu powinien mieć podobną grubość i właściwości mechaniczne do rodzimej chrząstki przegrody. Jednak w praktyce klinicznej, rozmiary tkanek potrzebnych do przeszczepów są bardziej zróżnicowane. Na przykład często używane są przeszczepy o długości 40 mm [12]. Szczególnie w przypadku tak dużych przeszczepów, materiał zastępujący chrząstkę musi być odpowiednio sztywny, a jego właściwości mechaniczne powinny być wyższe niż tkanki z miejsca ubytku, aby wytrzymać duże siły przykurczu rany. Oprócz wymagań dotyczących konieczności zastosowania prostej i sztywnej chrząstki, od substytutu chrząstki wymagana jest również możliwość wytwarzania materiału w różnych rozmiarach tak, aby chirurdzy mogli wybierać i dostosowywać rusztowanie indywidualnie dla każdego pacjenta. Ponadto wymagania chirurgów dotyczą rozmiaru porów w stosowanym rusztowaniu [12]. Według praktyki klinicznej wielkość porów powinna pozwalać na łatwe przeprowadzenie zakrzywionej igły chirurgicznej przez implant, umożliwiając jego przyszycie do otaczających tkanek, bez zniszczenia mikrostruktury implantu. Ogólna architektura rusztowania powinna umożliwiać formowanie się tkanki, zapewniając jednocześnie wsparcie mechaniczne podobne do tego, jakie posiada tkanka chrzęstna przegrody nosa [10, 93, 101]. Podłoże powinno sprzyjać adhezji, proliferacji i namnażaniu się komórek, ich różnicowaniu oraz wspierać produkcję ECM [97, 100]. Rusztowanie powinno być również biokompatybilne, czyli posiadać zdolność do integracji z otaczającą tkanką po implantacji [97, 101]. Najbardziej pożądane są trójwymiarowe przestrzenne podłoża o dużej porowatości. Porowatość ma kluczowe znaczenie dla utrzymania fenotypu zróżnicowanych chondrocytów, [99]. Wysoka porowatość zapewnia duże rozwinięcie powierzchni, na której mogą wzrastać chondrocyty, indukując wytwarzanie macierzy ECM [102, 103]. Wykazano, że pory o średnicach większych niż 100 µm do 250 µm zapewniają stosunkowo duży obszar adhezji, przylegania komórek i są najbardziej korzystne dla wzrostu tkanki [104]. Wytrzymałość mechaniczna powinna być zbliżona do naturalnej tkanki [105]. Wytrzymałość na rozciąganie chrząstki szklistej wynosi 4 MPa, podczas gdy maksymalne wydłużenie wynosi. 44.

(45) około 25% [97]. Wyznaczony w statycznej próbie rozciągania moduł Younga dla chrząstki wynosi około 10 MPa [78]. Od materiałów stosowanych na rusztowania dla inżynierii tkankowej chrząstki oczekuje się, aby były biodegradowalne (zdolne do rozkładu do nietoksycznych produktów degradacji, które nie występują naturalnie w organizmie) lub bioresorbowalne (ulegające stopniowemu rozpadowi do nieszkodliwych produktów ubocznych, które występują naturalnie w organizmie, jako produkty przemiany materii) [106]. Istotne jest, aby degradacja materiału następowała w sposób kontrolowany (Rys. 1.13). Czas rozkładu biomateriału musi być dobrany do czasu regeneracji tkanki [97].. Rys. 1.13 Zobrazowanie zmian funkcji mechanicznej biodegradowalnego rusztowania, na podstawie regenerowanej tkanki kostnej: (a) ubytek tkanki; (b) wszczepienie rusztowania tkankowego; (c) regeneracja tkanki (degradacja rusztowania), (d) pełna odbudowa tkanki [85]. Jednym z biomateriałów opisywanych w literaturze jako materiał spełniający powyższe wymagania na implanty tkanki chrzęstnej jest polikaprolakton.. 45.

(46) Polikaprolakton Poli-ε-kaprolakton (PCL), (Rys. 1.14), należy do grupy niepolarnych poliestrów alifatycznych. Charakteryzuje się 45% udziałem fazy krystalicznej [90]. Jego otrzymywanie następuje w wyniku polimeryzacji ɛ-kaprolaktonu [107].. Rys. 1.14. Wzór strukturalny polikaprolaktonu. PCL wyróżnia się dobrą plastycznością, jest łatwy do przetwarzania [107]. Charakteryzuje go niska temperatura zeszklenia Tg (-60°C) oraz niska temperatura topnienia (Tm = 59-64°C). Przedstawione w literaturze wydłużenie względne przy zerwaniu wynosi około 1100%, a wytrzymałość na rozciąganie 33 MPa [91, 108]. Polikaprolakton jest materiałem zatwierdzonym przez Food and Drug Admistration (FDA). Ze względu na swoje unikalne właściwości, takie jak wysoka krystaliczność, doskonała biokompatybilność, odpowiednia wytrzymałość mechaniczna i łatwość przetwarzania ma duży potencjał w zastosowaniach biomedycznych [109, 110, 111]. Jest polimerem nietoksycznym, ulega łatwo biodegradacji, w wyniku której powstają bezpieczne dla człowieka produkty degradacji, takie jak H2O i CO2 [112]. PCL jest materiałem hydrofobowym. Niska hydrofilowość powierzchni PCL powoduje słabą adhezję, różnicowanie, proliferację i migrację komórek [113]. W zastosowaniach inżynierii tkankowej zmniejszona zdolność adhezji komórek do powierzchni PCL i brak interakcji komórkowych prowadzi do dość powolnego wzrostu tkanek. Hydrofilowość powierzchni PCL można poprawić za pomocą różnych technik modyfikacji powierzchni lub poprzez włączenie materiałów bioaktywnych [111]. Proces degradacji PCL trwa od 2 do 4 lat. Szybkość degradacji uzależniona jest między innymi od zwilżalności polimeru, stopnia krystaliczności, początkowej masy cząsteczkowej 46.

(47) i warunków środowiska. Materiały o charakterze hydrofobowym wolniej degradują niż materiały hydrofilowe. W obecności wody PCL ulega hydrolizie wiązań estrowych do kwasu, który następnie zostaje wydalony z organizmu w cyklu Krebsa [109]. Jednym ze sposobów przyspieszenia degradacji PCL jest modyfikacja hydrofilowymi wypełniaczami ceramicznymi (np. cząstkami nano HAp (hydroksyapatyt), TCP (ortofosforan (V) wapnia) bioaktywnego szkła i krzemianu wapnia), które wpływają na właściwości powierzchniowe i objętościowe materiału, takie jak zwilżalność, absorpcja wody i krystaliczność matrycy polimerowej [114]. Ze względu na obecność hydofilowych grup funkcyjnych w strukturze chemicznej makrocząsteczek, PCL można łączyć z innymi biomateriałami. PCL znajduje zastosowanie, jako implant długoterminowy lub składnik implantu kompozytowego. Wytwarzane są z niego nici i śruby chirurgiczne oraz przedmioty jednorazowego użytku, jak również różne nanokompozyty mające na celu kontrolowane uwalnianie leku [101, 107]. Kolejnym materiałem, który znalazł zastosowanie w rekonstrukcji ubytków tkanki chrzęstnej jest Polilaktyd. Polilaktyd, Poli-L-laktyd Poli(L-kwas mlekowy) (PLLA) to syntetyczny biodegradowalny poliester alifatyczny, powstający z polimeryzacji L-laktydu otrzymanego z odnawialnych źródeł takich jak skrobia [115]. PLLA zyskał szczególną uwagę, ze względu na swoją doskonałą biokompatybilność i właściwości mechaniczne [116, 117]. Posiada wysoki moduł sprężystości, który ogranicza odkształcenia plastyczne [118]. PLLA ma wysoką krystaliczność w fragmentach ulegających degradacji [115]. Zwiększenie krystaliczności, zmniejsza możliwość przenikania wilgoci do matrycy polimerowej, co utrudnia proces hydrolizy. PLLA rozkłada się głównie na nietoksyczne produkty uboczne. Poli(L-kwas mlekowy) ma szybszy stopień degradacji w porównaniu z PCL. Pomimo tego, nadal jest uważany za stosunkowo powolny w porównaniu do innych biomateriałów polimerowych stosowanych na rusztowania inżynierii tkankowej, dlatego stanowi korzystny materiał dla potencjalnego zastosowania na implanty tkanki kostnej i chrzęstnej nosa. Zwilżalność polimerów na bazie PLLA jest ważnym czynnikiem przy wyborze materiałów na produkty biomedyczne. Wysoka hydrofobowość 47.

(48) zakłóca proces adhezji komórek i zmniejsza oddziaływanie pomiędzy płynem ustrojowym, a wszczepionym biomateriałem. Dlatego degradacja zachodzi powoli, ponieważ materiał nie wykazuje powinowactwa z płynem ustrojowym. Właściwości polimerów na bazie PLLA można łatwo modyfikować poprzez reakcje kopolimeryzacji oraz mieszania z licznymi monomerami, polimerami i innymi substancjami. Możliwe jest zmodyfikowanie właściwości mechanicznych, morfologii powierzchni i zwilżalności, otrzymując wymagane właściwości. PLLA ma wiele różnych zastosowań: w regeneracji kości, jako nośnik leków, wykorzystywany jest w protetyce, do przeszczepów naczyniowych, wytwarzane są z niego szwy, śruby kostne, rusztowania do regeneracji skóry. Powszechnie wiadomo, że PLLA jest atrakcyjnym materiałem. dla. inżynierii. tkankowej. [118].. Można. go. łatwo. łączyć. z innymi materiałami, tworząc kompozyty i zwiększając tym samym zakres jego zastosowania. Jednym z przykładów zatwierdzonego przez FDA produktu z PLLA jest Sculptra™, materiał implantacyjny, który jest obecnie stosowany do leczenia zaniku twarzy. Żelatyna Żelatyna należy do naturalnie występujących biopolimerów. Jest białkiem złożonym z unikalnej sekwencji aminokwasów. Uzyskiwana jest przez hydrolizę kolagenu, będącego jednym z głównych składników tkanek łącznych, takich jak skóra, ścięgna, kości [107, 119]. Kolagen jest ważnym białkiem dla proliferacji komórek, występującym w naturalnej macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) [120]. Żelatyna posiada wiele cech charakterystycznych dla kolagenu, takich jak identyczny skład i prawie takie same właściwości biologiczne [113, 121]. Żelatynę charakteryzuje wysoka biokompatybilność, biodegradowalność i bioaktywność. Polimer ten może również poprawić absorpcję wody polimerów takich jak polikaprolakton, poli(kwas mlekowo-glikolowy) (PLGA) [120]. Żelatyna jest łatwo dostępna, tania, a także jest nieimmunogenna [122, 123]. Zgodnie z literaturą, zarówno kolagen jak i żelatyna znacznie poprawiają infiltrację, przyczepność, rozprzestrzenianie się i proliferację komórek [113, 122]. Właściwości żelatyny zależą od źródła kolagenu, wieku zwierzęcia, rodzaju kolagenu, rodzaju konwersji kolagenu na żelatynę (hydroliza kwasowa lub zasadowa), jak również od warunków otrzymywania rusztowania (np. kwasowość roztworu) [119]. Ze względu na swoje właściwości żelatyna jest odpowiednim materiałem dla zastosowań biomedycznych i jest jednym z najczęściej stosowanych zatwierdzonych biopolimerów przez FDA [107, 121]. Zalety żelatyny sprawiają, że jest to idealny składnik do wytwarzania 48.

(49) białkowych konstrukcji, których trwałość i wytrzymałość mechaniczna jest porównywalna do tych, które posiada macierz zewnątrzkomórkowa (ECM). Rusztowania na bazie żelatyny wytwarzane metodą elektroprzędzenia cechują się trójwymiarową strukturą (3D), która bardzo dobrze naśladuje ECM, co czyni je bardzo atrakcyjnymi dla zastosowań w inżynierii tkankowej [124]. Wadą stosowania żelatyny jako składnika struktury w rusztowaniu jest szybkość degradacji w środowisku wodnym, w temperaturze ciała ludzkiego (około 37°C) [113]. Z powodu słabej odporności nanowłókien żelatynowych na działanie wody, w trakcie ich syntezy stosuje się środki sieciujące [107]. Właściwości biochemiczne można poprawić przez modyfikację żelatyny grupami funkcyjnymi i wspólnymi czynnikami sieciującymi, m.in. aldehydem glutarowym [125]. Elektroprzędzone membrany, nie poddane sieciowaniu rozpuszczą się, zamieniając w żel. W literaturze warunki hydrożelowe opisywane są, jako pożądane dla hodowli chondrocytów. Wysoce uwodnione i trójwymiarowe rusztowania zapewniają dobre miejsce do przylegania, różnicowania i namnażania komórek [126]. Opisane materiały polimerowe bardzo często modyfikuje się różnymi bioaktywnymi lub antybakteryjnymi dodatkami, mającymi na celu zapewnienie właściwego procesu odbudowy tkanki chrzęstnej. Również w ramach pracy przeprowadzono modyfikację materiałów dodatkami takimi jak osteogenon, bioszkło i grafen. Osteogenon Osteogenon jest lekiem, który wpływa na mineralizację kości. Zawiera składniki potrzebne do syntezy kości. Ma podwójny wpływ na metabolizm kości: hamuje osteoklasty i stymuluje osteoblasty. Osteogenon to kompleks zawierający hydroksyapatyt osseinowy (OHC) osteokalcynę i kolagen typu I, który był stosowany w tabletkach o działaniu przeciwbólowym. Wpływa również na zmniejszenie czasu konsolidacji złamań u pacjentów z wtórną osteoporozą. Dostępne dane literaturowe sugerują, że OHC jest znacznie bardziej skuteczny w zapobieganiu utraty masy kostnej, w tym również u kobiet po menopauzie, w porównaniu do innych suplementów czy stosowanych soli wapnia [112]. OHC wykazuje silne działanie przeciwbólowe i jest odpowiedzialny za szybszą rekonwalescencję pacjentów z osteopenią i osteoporozą.. 49.