CC BY
90
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 29 2012
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 29 2012
УДК 57.085.22
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОВЯЖЬЕГО КСЕНОПЕРИКАРДА ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ОБРАБОТОК
© С. С. ГАМЗИН, А. Д. КРУЧИНИНА, А. А. ВЕНЕДИКТОВ, М. Т. ГЕНГИН Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского,
кафедра биохимии e-mail: S.S.Gamzin@ya.ru
Гамзин С. С., Кручинина А. Д., Венедиктов А. А., Генгин М. Т. - Сравнительное исследование биомеханических свойств говяжьего ксеноперикарда после различных обработок // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского.
2012. № 29. С. 25-28. - Изучены биомеханические свойства говяжьего ксеноперикарда после химико ферментативной обработки с изменяющимися параметрами и стабилизацией его глутаровым альдегидом. Показана динамика изменения биомеханических свойств биоматериалов в зависимости от протеолитической активности фермента и концентрации сшивающего агента.
Ключевые слова: говяжий перикард, биомеханические свойства, глутаровый альдегид, модуль упругости, максимальное напряжение разрушения при одноосном растяжении.
Gamzin S. S., Kruchinina A. D., Venediktov A. A., Gengin M. T. - A comparative study of biomechanical properties of bovine pericardium after different treatment // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im. V.G. Belinskogo. 2012. № 29. P. 25-28. - We studied the biomechanical properties of bovine pericardium after chemical and enzyme treatment with varying parameters and stabilization with glutaraldehyde. We investigated the dynamics of change in biomechanical properties of biomaterial, which depended on proteolytic enzyme activity and concentration of crosslinking agent.
Keywords: bovine pericardium, biomechanical properties, glutaraldehyde, elastic modulus, tensile strength.
ВВЕДЕНИЕ
Современные техники хирургических вмешательств испытывают потребности в пластических материалах с заданными свойствами. В последнее время все чаще для этих целей используются имплантаты ксенобиогенного происхождения [2, 3, 4, 6,7, 12, 14, 21]. Применение обработанных ксенобиотрансплан-татов более предпочтительно по сравнению с синтетическими материалами ввиду естественной природы ксенобиоткани. Это позволяет ожидать минимального негативного влияния на организм реципиента биотрансплантата в ходе его эксплуатации [19, 28].
Для исключения факторов иммуногенности биоматериалы подвергают химико-ферментативной обработке с последующей стабилизацией сшивающими агентами [1, 23]. Наиболее часто используемыми сшивающими агентами являются глутаровый диальдегид, эпоксидные соединения и др. [5, 10, 26, 27]. Полученные в результате биоматериалы должны быть не-иммуногенными, атравматичными, гипоаллергенны-ми, биоинертными, обладать приемлемыми физикомеханическими свойствами [18].
Исследование физико-механических параметров целесообразно для определения наиболее удач-
ных сфер применения пластических биоматериалов. В качестве таких параметров используют модуль упругости (модуль Юнга) и максимальное напряжение разрушения при одноосном растяжении (МНРОР) [22, 25].
Модуль Юнга применяется при оценке упругих свойств трансплантата, характеризует максимальное напряжение, которое можно приложить к биоматериалу, не вызывая в нем необратимых морфологических изменений.
Максимальное напряжение разрушения при одноосном растяжении является параметром, отражающим максимальную механическую нагрузку, выдерживаемую биоматериалом до необратимого морфологического разрушения [24].
Целью работы является исследование влияния различных модификаций химико-ферментативной обработки на биомеханические свойства говяжьего ксеноперикарда.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В исследовании использовались образцы ксено-перикардиальной ткани, обработанные с учетом требований патента РФ №2197818 «Способ подготовки
ткани для ксенопротезирования». Сущность химикоферментативной модификации заключается в предварительной обработке биоткани гипертоническими растворами солей, обработке комплексом протеолити-ческих ферментов, отмывке и стабилизации растворами глутарового альдегида с возрастающей концентрацией [15].
Для увеличения упругих и прочностных характеристик материала предложено повысить концентрацию сшивающего агента в стабилизирующем растворе. Такой материал будет особенно ценен при проведении операций, направленных на укрепление мышц тазового днау женщин [9].
Для ускорения биоинтеграции материала и его последующего замещения собственными тканями организма предложено повысить протеолитическую активность фермента в ходе обработки материала. Подобные свойства трансплантата необходимы при пластике мочевого пузыря и уретры, а также в герниоло-гии и неонатальной хирургии гастрошизиса [8, 16, 17, 20].
Испытания биомеханических свойств ксенопе-рикарда проводили на настольной одноколонной испытательной машине Instron 5944. Для исследования выбирались однородные по толщине образцы ткани, толщина которых определялась цифровым микрометром с погрешностью не более ±0,005 мм, не менее чем в 10 точках. Испытание проводилось на образцах шириной 2 мм и длиной З0 мм однотипно приготовленных при помощи вырубной матрицы специальной формы в соответствии с ГОСТ 11262-80. Образцы ткани закреплялись в зажимах так, что рабочая зона составляла 20 мм. Во время проведения измерений материал находился в физиологическом растворе. Расчет сечения растянутого образца производился с учетом его несжимаемости [13]. Исследования зависимости напряжение - относительное удлинение проводились в области упругих деформаций [22].
Модуль упругости рассчитывался по формуле:
F - приложенная сила, Н Е - модуль упругости, Па l0 - начальная длина образца, м h - толщина образца, м a - ширина образца, м
Д1 - удлинение образца при приложении нагрузки, м
Прочность материала оценивали по максимальному напряжению разрушения при одноосном растяжении (МПа).
Расчет производили по формуле:
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные значения модуля Юнга демонстрируют удовлетворительные упругие характеристики всех типов ксеноперикарда (рис.1).
^шах максимальная нагрузка, выдерживаемая образцом, Н
8 - площадь поперечного сечения образца, см2 Результаты обрабатывались статистически с привлечением 38 критерия и 1 критерия Стьюдента [11].
Рис. 1. Модуль упругости говяжьего ксеноперикарда в зависимости от типа его обработки (МПа (мега Паскаль); здесь и на рис 2: 1 - ткань, обработанная с учетом требований патента РФ №2197818 «Способ подготовки ткани для ксенопротезирования»; 2 - ткань, обработанная на основе требований патента РФ № 2197818 «Способ подготовки ткани для ксенопротезирования» с увеличением активности ферментафермента; 3 - ткань, обработанная на основе требований патента РФ № 2197818 «Способ подготовки ткани для ксенопротезирования» с увеличением концентрации сшивающего агента; *** - р<0,001 от-ностительно ткани, обработанной с учетом требований патента РФ № 2177818 «Способ подготовки ткани для ксенопротезиро-вания»).
Модуль упругости ксеноперикарда, подвергнутого обработке с увеличением активности фермента не обнаруживает достоверных отличий по сравнению с аналогичным параметром у ксеноперикарда, обработанного с учетом требований патента (рис.1).
Отсутствие достоверных отличий в значениях модуля упругости, по видимому, связано с тем, что модификация метода обработки не затрагивала этапы, связанные с фиксацией материала в растворах сшивающего агента. Это в свою очередь привело к тому, что качество пространственного расположения сшивок и их количество сопоставимы в обеих тканях, по завершении обработки. Вероятно, поэтому в зоне абсолютно упругих деформаций материалы ведут себя схожим образом.
Поскольку применение ксеноперикарда, прошедшего модифицированную обработку планируется в областях хирургии, не требующих повышенной упругой прочности, материал можно считать пригодным к применению с позиций упругих характеристик.
Модуль упругости ксеноперикарда, подвергнутого обработке с увеличением концентрации сшивающего агента, обнаруживает повышение в 1,69 раза (p<0,01) по сравнению с аналогичным параметром у ксеноперикарда, обработанного с учетом требований патента (рис. 1).
Подобное изменение упругих свойств связано с экспозицией материала в фиксирующих растворах с
БИОХИМИЯ ►»»
более высокими концентрациями. Ввиду данного обстоятельства, логично предположить наличие более плотной пространственной сети из образованных сшивок, что и дает приращение значений упруго прочностных характеристик. Абсолютные значения модуля Юнга в данном случае позволяют рекомендовать этот материал для использования в областях реконструктивной и восстановительной хирургии, направленных на восполнение утраченных механических свойств собственных тканей.
В полученных значениях предельного напряжения разрушения при одноосном растяжении можно наблюдать несколько иную тенденцию (рис. 2).
Рис. 2. Максимальное напряжение разрушения при одноосном растяжении говяжьего ксеноперикарда в зависимости от типа его обработки (МПа (мега Паскаль); здесь: ** - р<0,01отностительно ткани, обработанной с учетом требований патента РФ № 2177818 «Способ подготовки ткани для ксенопротезирования»).
Величина МНРОР ткани, обработанной с увеличением активности фермента, снижается в 1,63 раза (p<0,01) по сравнению с аналогичным параметром у ксеноперикарда, обработанного стандартным способом (рис. 2). Данный факт, по-видимому, связан с более глубоким изменением нативной структуры биоткани, сопряженной с утратой некоторого количества слабых и прочных молекулярных взаимодействий. Однако, абсолютные значения МНРОР вполне допустимы для планируемых областей применения данного материала.
Что касается свойств ткани, подвергнутой обработке с увеличением концентрации сшивающего агента, то с позиции значений МНРОР достоверных отличий обнаружено не было. Данный факт объясняется тем обстоятельством, что основной вклад в формирование значений МНРОР вносит доминирующий компонент материала, а именно коллагеновоэластический матрикс, структура которого модифицировалась тем же образом, что и матрикс ксенопе-рикарда, обработанного с учетом требования патента. Исходя из фактов отсутствия достоверных отличий между двумя этими тканями и применением последней в клинической практике, можно говорить о пригодности ксеноперикарда, обработанного с увеличением концентрации сшивающего агента для нужд хирургии с позиций МНРОР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акатов B. C., Рындина Н. И., Соловьев В. В., Муратов P. M., Бритиков Д. В., Бокерия Л. А. О повышении биосовместимости трансплантантов клапанов сердца и сосудов путем их девитализации и заселения клетками реципиента// Клеточные технологии в биологии и медицине. 2006. № 3. С. 166-171.
2. Баулин А. В., Середин С. А., Квасов А. Е., Митрошин А. Н., Баулин В. А., Венедиктов А. А., Лембас А. Н., Никишин Д. В. Ксеноперикардиальная герниопла-стика: возможности и перспективы//Бюллетень медицинских интернет-конференций. 2011. Т. 1. № 5. С. 11-15.
3. Бокерия Л. А., Подзолков В. П., Каграманов И. И., Кокшенев И. В., Бритиков Д. В., Астраханцева Т. О., Боголюбова В. И., Донцова В. И., Асланова А. Р., Серов Р. А. Результаты применения нового биологического клапана сердца из глиссоновой капсулы печени крупного рогатого скота// Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 2009. № 1. С. 4-13.
4. Груша Я. О.Офтальмологические аспекты лечения травматических деформаций орбиты// Вестник Российской академии медицинских наук. 2003. № 2. С. 38-40.
5. Журавлева И. Ю., Кудрявцева Ю. А., Климов И. А., Барбараш Л. С. Сравнительная оценка сшивающей активности новых консервантов из класса эпоксисоединений// Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2007. С. 44-48.
6. Иванов С. В., Журавлева И. Ю., Ануфриев А. И., Хаес Б. Л., Лукьянов О. Б., Казачек Я. В., Зинец М. Г., Барбараш Л. С. Применение эпоксиобработанных ксеноперикардиальных биопротезов в реконструктивной хирургии каротидных артерий// Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра СО РАМН. 2005. № 3. С. 49-50.
7. Калмин О. В., Никольский В. И., Федорова М. Г., Янгуразова Е. В., Никольский А. В. Морфологические изменения ксеноперикарда в условиях гнойновоспалительного процесса//Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2011. № 4. С. 12-20.
8. Карцева Е. В. Применение ксеноперикарда в комплексном лечении новорожденных с гастрошизисом. Автореф. дис. ... канд. мед.наук. М., 2001. 23 с.
9. Коршунов М. Ю., Сазыкина Е. И. Имплантируемые материалы в реконструктивной хирургии тазового дна у женщин// Акушерство и гинекология. 2007. № 4. С. 15-19.
10. Кудрявцева Ю. А., Журавлева И. Ю., Опарина Л. А., Хилько М. Я., Трофимов Б. А., Барбараш Л. С. Применение смесей моно- и олигоэпоксидных соединений для консервации биологических протезов клапанов сердца// Патология кровообращения и кардиохирургия. 2008. № 1. С. 79-84.
11. Лакин Г. Ф. Биометрия: Учеб.пособие для биол. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1990. 352 с.
12. Липский К. Б., Гуляев И. В., Тагабилев Д. Г. Тканевой эквивалент слизистой оболочки для устранения протяженных дефектов уретры// Вопр.реконстр. и пласт. хир. 2010. Т. 34. №3. С. 65-66.
13. Лысенок Л. H. Биоматериаловедение. Вклад в прогресс современных медицинских технологий// Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. 2005. №2.
14. Митрошин А. H., Сиваконь С. В., Мозеров С. А., Абдуллаев А. К., Митрошин И. А. Исследование биоинтеграции ксеноперикарда при пластике дефектов сухожильно-связочных структур// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2010. № З. С. З5-4З.
15. Пат. 2197818 Российская Федерация, A01N1/00. Способ подготовки биоткани для ксенопротезирования/ Бурцев П.Ю., Бурцева Е.В.; заявитель и патентообладатель Закрытое акционерное общество «Меди-кон ЛТД». № 2001115659/14; заявл. 09.06.01; опубл. 10.02.0З.
16. Подолужный В. И., Гордеев М. С., Зайков И. H., Кар-мадонов А. В. Клинико-экспериментальная оценка результатов использования модифицированного ксе-ноперикарда в герниологии// Медицина в Кузбассе.
2010. №З. С. 26-29.
17. Подолужный В. И., Гордеев М. С., Павленко В. В., Кармадонов А. В. Использование модифицированного ксеноперикарда при хирургическом лечении// Политравма. 2011. № 4. С. 51-54.
18. Севастьянов В. И., Кирпичникова М. Т. Биосовмести-мые материалы. М.: «МИА», 2011. 544 с.
19. Серов В. В., Шехтер А. Б. Соединительная ткань. Функциональная морфология и общая патология. М.: Медицина, 1981. З12 с.
20. Тагабилев Д. Г. Изучение возможности использования ксеноперикарда и ацеллюлярного кожного матрикса в качестве основы тканевых эквивалентов слизистых оболочек. Автореф. дис. ... канд. мед.наук. М.,
2011. 25 с.
21. Фокин А. А., Куватов А. В., Роднянский Д. В., Дегтярев М. С. Сравнительные непосредственные результаты использования расширяющей заплаты из различных материалов при каротидной эндартерэктомии// Вестник экспериментальной и клинической хирургии. 2011. Т. 4. № 1. С. 140-142.
22. Хлусов И. А. Основы биомеханики биосовместимых материалов и биологических тканей. Учебное пособие. Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2007. 149 с.
23. Chang Y., Tsai C. C., Liang H. C., Sung H. W. In vivo evaluation of cellular and acellular bovine pericardia fixed with a naturally occurring crosslinking agent (genipin)// Biomaterials. 2002. Vol.23. № 12. Р. 2447-57.
24. Crofts C. E., Trowbridge E. A. The tensile strength of natural and chemically modified bovine pericardium// J Biomed Mater Res. 1988. Vol. 22. № 2. Р. 89-98.
25. Jang W., Choi S., Kim S. H., Yoon E., Lim H. G., Kim Y. J. A comparative study on mechanical and biochemical properties of bovinepericardium after single or double crosslinking treatment// Korean Circ J. 2012. Vol.42. № 3. Р. 154-63.
26. Somers P., De Somer F., Cornelissen M., Bouchez S., Gasthuys F., Narine K., Cox E., Van Nooten G. Genipin blues: an alternative non-toxic crosslinker for heart valves?// J Heart Valve Dis. 2008. Vol. 17. № 6. Р. 682-8.
27. Sung H. W., Chang W. H., Ma C. Y., Lee M. H. Crosslinking of biological tissues using genipin and/or carbodiimide// J Biomed Mater Res A. 2003. Vol. 64. № 3. Р. 427-38.
28. Umashankar P. R., Arun T., Kumari T. V.Short duration gluteraldehyde cross linking of decellularized bovine pericardium improves biological response// J Biomed Mater Res A. 2011. Vol. 97. № 3. Р. 311-20.
