Een team van wetenschappers van Sechenov First Moscow State Medical University gebruikte 3D-printen om biocompatibele structuren te creëren op basis van chitine verkregen uit krabschalen. Deze methode zal helpen bij het ontwikkelen van structuren met bepaalde vormen voor biomedische doeleinden, inclusief de vervanging van beschadigde zachte weefsels in het menselijk lichaam. Het artikel is gepubliceerd in Mariene drugs .

Schelpen en andere bijproducten zijn goed voor 50 tot 70 procent van het gewicht van alle krabben die in de wereld worden gevangen. Als een regel, ze worden vernietigd, wat extra investeringen vereist. Slechts een klein deel wordt verwerkt. Echter, de lichamen van mariene schaaldieren bevatten veel chitine. Dit polysacharide is wijdverbreid in het wild, bijvoorbeeld de exoskeletten van insecten zijn ervan gemaakt. Door bepaalde acetylgroepen uit chitine te verwijderen, onderzoekers kunnen chitosan verkrijgen, een biopolymeer met een unieke set biologische, fysiek, en chemische eigenschappen. Het is biocompatibel, d.w.z. veroorzaakt geen ontsteking of immuunrespons wanneer het in het lichaam wordt geïmplanteerd. Het heeft ook schimmeldodende en antimicrobiële eigenschappen en ontleedt geleidelijk in het lichaam zonder giftige componenten achter te laten. Daarom zijn chitosan en zijn derivaten veelbelovend voor de geneeskunde. Op deze basis, nieuwe soorten biocompatibele structuren kunnen worden gecreëerd om beschadigde weefsels of dragers te herstellen voor gerichte afgifte van medicijnen.

De traditionele manier om chitosan uit chitine te verkrijgen, vereist het behandelen van de grondstof met agressieve chemische reagentia zoals geconcentreerde alkali-oplossingen. Vanwege de kleine hoeveelheid geproduceerd chitosan en de toxiciteit van de oplossingen, deze methoden kunnen niet op industriële schaal worden gebruikt. De auteurs van het artikel stellen een milieuvriendelijkere methode voor chitinemodificatie voor:mechanochemische synthese. De methode omvat drie soorten behandeling van een vast mengsel:met reagentia, druk en schuifspanning. Het vereist minder alkali dan de traditionele chemische synthese, en geen oplosmiddelen, katalysatoren, of procesinitiatiefnemers zijn vereist. Het verkregen chitosan kan voor medische doeleinden worden gebruikt zonder zuivering en verwijdering van resterende giftige stoffen.

De wetenschappers gebruikten dezelfde methode om een ​​aantal chitosanderivaten te synthetiseren met een verschillend gehalte aan allylische groepen (van 5 procent tot 50 procent). In de loop van een dergelijke wijziging, allylische groepen (propyleenderivaten, organische substituenten met een dubbele binding tussen koolstofatomen) worden toegevoegd aan de structuur van chitosan. Dit stelt chitosanderivaten in staat om fotogebonden films en 3D-structuren van elke geometrie te vormen onder invloed van UV- en laserstraling en in aanwezigheid van een foto-initiator.

De films gemaakt van chitosanderivaten werden verkregen met behulp van de fotopolymerisatiemethode - polymeeroplossingen in azijnzuur werden op een plastic geplaatst en bestraald met UV-licht totdat ze stolden. Om 3D-structuren te vormen, gebruikten de onderzoekers een 3D-printtechnologie genaamd laser stereolithografie. 3D-steigers worden laag voor laag gevormd volgens een computermodel. Een foto-initiator werd toegevoegd aan de oplossingen van chitosanderivaten, en vervolgens werd de fotopolymerisatiereactie gestart met een laser. De verkregen structuren werden eerst ingevroren en vervolgens gedroogd in een vacuümkamer (deze methode wordt lyofilisatie of vriesdrogen genoemd). Daarna, het materiaal van de structuren werd poreus.

In de laatste fase van het onderzoek, het team implanteerde de gevormde structuren bij ratten (onder de huid in het interscapulaire gebied). Het experiment in vivo duurde 90 dagen, en geen van de implantaten vertoonde gedurende deze tijd tekenen van toxiciteit. Dit geeft aan dat de steigers biocompatibel zijn. De wetenschappers ontdekten dat de geïmplanteerde structuren pas na 60 dagen na de experimenten biologisch begonnen af ​​te breken. Het team is van plan te leren hoe dit proces te beheren en implantaten te maken met de vereiste biologische afbraaksnelheid.

"Deze methode van structurering van chitosanderivaten biedt de creatie van 3D-structuren met fysiologisch relevante afmetingen. Ze kunnen worden gebruikt om grote (meer dan 1 cm) weefseldefecten te genezen, " zegt Ksenia Bardakova, een co-auteur van het werk, en een junior onderzoeksmedewerker bij de afdeling moderne biologische materialen, Instituut voor Regeneratieve Geneeskunde, Sechenov Universiteit. "Na de stabiliteit van de monsters in vivo te hebben bestudeerd, we hebben voor het eerst aangetoond dat de degradatiegebieden periodiek worden verdeeld, niet chaotisch. Het bevestigt de hypothese met betrekking tot het mechanisme van biologische afbraak van op chitosan gebaseerde materialen:de minst geordende amorfe gebieden van het polymeer worden het eerst afgebroken. Het begrip van dit mechanisme zal ons helpen structuren te vormen waarin de snelheid van afbraak vergelijkbaar zou zijn met de snelheid van herstel van het vervangen weefsel of orgaan. De steiger zou in de exacte hoeveelheid tijd die het beschadigde weefsel nodig heeft om zijn integriteit en functies te herstellen, achteruitgaan."

Het werk maakt deel uit van een onderzoekscyclus naar de vorming van 3D-structuren uit hydrogels (met water als dispersiemedium waarin vaste deeltjes een 3D-raster vormen) op basis van natuurlijke polysachariden.