Ett team av forskare från Sechenov First Moscow State Medical University använde 3-D-utskrift för att skapa biokompatibla strukturer på basis av kitin som erhållits från krabbskal. Denna metod kommer att hjälpa till att utveckla strukturer med givna former för biomedicinska ändamål, inklusive ersättning av skadade mjuka vävnader i människokroppen. Artikeln publicerades i Marina droger .

Skal och andra biprodukter står för 50 procent till 70 procent av vikten av alla krabbor som fångas i världen. I regel, de är förstörda, vilket kräver ytterligare investeringar. Endast en mindre del behandlas. Dock, marina kräftdjurs kroppar innehåller mycket kitin. Denna polysackarid är utbredd i det vilda, t.ex. exoskeletten av insekter är gjorda av det. Genom att ta bort vissa acetylgrupper från kitin, forskare kan få kitosan, en biopolymer med en unik uppsättning biologiska, fysisk, och kemiska egenskaper. Det är biokompatibelt, d.v.s. orsakar inte inflammation eller immunsvar när det implanteras i kroppen. Den har också svampdödande och antimikrobiella egenskaper och sönderdelas gradvis i kroppen utan att lämna några giftiga komponenter. Det är därför kitosan och dess derivat är lovande för medicin. Utifrån detta, nya typer av biokompatibla strukturer kan skapas för att återställa skadade vävnader eller bärare för riktad leverans av läkemedel.

Det traditionella sättet att erhålla kitosan från kitin kräver behandling av råmaterialet med aggressiva kemiska reagenser såsom koncentrerade alkalilösningar. På grund av den lilla mängden producerat kitosan och toxiciteten hos lösningarna, dessa metoder kan inte användas i industriell skala. Författarna till artikeln föreslår en mer miljövänlig metod för kitinmodifiering - mekanokemisk syntes. Metoden inkluderar tre typer av behandling av en fast blandning:med reagens, tryck- och skjuvspänning. Det kräver mindre alkali än den traditionella kemiska syntesen, och inga lösningsmedel, katalysatorer, eller processinitiatorer krävs. Det kitosan som erhållits här kan användas för medicinska ändamål utan rening och avlägsnande av kvarvarande giftiga ämnen.

Forskarna använde samma metod för att syntetisera ett antal kitosanderivat med olika innehåll av allylgrupper (från 5 procent till 50 procent). Under en sådan ändring, allylgrupper (propylenderivat, organiska substituenter med en dubbelbindning mellan kolatomer) läggs till strukturen av kitosan. Detta gör det möjligt för kitosanderivat att bilda fotobundna filmer och 3-D-strukturer av vilken geometri som helst under påverkan av UV- och laserstrålning och i närvaro av en fotoinitiator.

Filmerna gjorda av kitosanderivat erhölls med fotopolymerisationsmetoden - polymerlösningar i ättiksyra placerades på en plast och bestrålades med UV-ljus tills de stelnade. För att bilda 3D-strukturer använde forskarna en 3D-utskriftsteknik som kallas laserstereolitografi. 3D-ställningar formas lager för lager enligt en datormodell. En fotoinitiator sattes till lösningarna av kitosanderivat, och sedan initierades fotopolymerisationsreaktionen med en laser. De erhållna strukturerna frystes först och torkades sedan i en vakuumkammare (denna metod kallas lyofilisering eller frystorkning). Efter det, materialet i strukturerna blev poröst.

I slutskedet av forskningen, teamet implanterade de bildade strukturerna i råttor (under huden i den interskapulära regionen). Experimentet in vivo varade i 90 dagar, och inget av implantaten visade några tecken på toxicitet under denna tid. Detta indikerar att ställningarna är biokompatibla. Forskarna fann att de implanterade strukturerna började brytas ned biologiskt först efter 60 dagar av experimenten. Teamet planerar att lära sig hur man hanterar denna process och att skapa implantat med erforderlig biologisk nedbrytningshastighet.

"Denna metod för strukturering av kitosanderivat ger skapandet av 3D-strukturer med fysiologiskt relevanta storlekar. De kan användas för att läka stora (mer än 1 cm) vävnadsdefekter, " säger Ksenia Bardakova, en medförfattare till verket, och en junior forskarassistent vid avdelningen för moderna biologiska material, Institutet för regenerativ medicin, Sechenov universitet. "Efter att ha studerat stabiliteten hos proverna in vivo, vi visade för första gången att nedbrytningsområdena fördelas periodiskt, inte kaotiskt. Det bekräftar hypotesen om mekanismen för biologisk nedbrytning av kitosanbaserade material:De minst ordnade amorfa områdena av polymeren bryts ned först. Förståelsen av denna mekanism kommer att hjälpa oss att bilda strukturer där nedbrytningshastigheten skulle vara jämförbar med restaureringshastigheten för den ersatta vävnaden eller organet. Ställningen skulle försämras på exakt den tid som krävs av den skadade vävnaden för att återställa dess integritet och funktioner."

Arbetet är en del av en forskningscykel om bildandet av 3D-strukturer från hydrogeler (med vatten som dispersionsmedium där fasta partiklar bildar ett 3D-nät) baserat på naturliga polysackarider.