В данной статье для нарративного обзора отобрано 6 оригинальных исследований, опубликованных в 2011–2024 годах, в которых участвовали коллективы из США, Великобритании и Китая, а также китайско-индийские совместные исследовательские группы. Отобранные исследования охватывают этапы, связанные с материалами, исследования in vitro и на животных, и не включают клинические испытания эффективности у человека. Авторские права на результаты принадлежат их первоначальным авторам.
01Какие задачи решают каркасы для восстановления кости и стоматологические барьерные мембраны соответственно?
Основная задача мембраны для направленной костной регенерации (GBR) — сохранить пространство для регенерации в целевой области и ограничить проникновение нежелательных мягких тканей. Каркасы для восстановления кости, напротив, могут требовать проникновения внутрь клеток и кровеносных сосудов. При разработке нельзя смешивать «поддержку роста клеток» и «блокирование прохождения клеток» в качестве единой цели: сначала необходимо определить, где будет располагаться электроформованный слой и с какой тканью он будет контактировать.1,2
| Направления применения | Задачи, которые может выполнять электроформованная структура | Необходимая соответствующая оценка |
|---|---|---|
| Стоматологическая барьерная мембрана GBR | Покрытие, послойное разграничение межфаз и изоляция мягких тканей | Целостность во влажном состоянии, сохранение объёма и поведение клеток при прохождении через мембрану 1,2 |
| Волокнистые каркасы для тканевой инженерии кости | Адгезия клеток, минерал-композитные составы и формирование пористой структуры | Проникновение клеток, показатели, связанные с остеогенезом, и формирование новой кости 3,5 |
| Мембраны для восстановления кости с локальной доставкой | Загрузка и высвобождение различных компонентов | Процесс высвобождения, клеточный отклик и регенерация дефектов 4,6 |
В условиях ротовой полости также возникают конкретные проблемы, связанные с экспозицией, контактом с микроорганизмами и способами фиксации. Тот факт, что материал in vitro способствует пролиферации остеобластов, ещё не доказывает его пригодности в качестве пародонтальной барьерной мембраны; результаты исследований на дефектах черепа или бедренной кости у животных также следует рассматривать отдельно от условий применения в ротовой полости.1,2,3,4,5,6
02Какие сочетания материалов и структур обеспечивает электроформование?
Поликапролактон (PCL), полимолочная кислота (PLA или PLLA), PLGA и полигликолевая кислота (PGA) могут входить в состав различных волоконных систем; желатин, фиброин и фосфат кальция используются для модификации межфазного контакта с клетками, поведения во влажном состоянии или минерального состава. Смысл выбора этих компонентов заключается в сочетании обрабатываемости с целевыми биологическими свойствами, а не в определении конечного назначения исключительно по названию материала.1,2,3,4,5,6
Совместное электроформование подходит для сравнения составов однослойных композитов; последовательное осаждение позволяет создавать многослойные мембраны с различными поверхностями; соосное электроформование распределяет задачи поддержки, деградации или доставки между сердечником и оболочкой. Электроформованную мембрану также можно сочетать с каркасом, напечатанным с помощью 3D: более крупный каркас обеспечивает пространственную поддержку, а волоконный слой регулирует локальную межфазу.1,2,5,6
03Стоматологические барьерные мембраны: переход от единой поверхности к многослойной конструкции
Раздельное устройство костной и мягкотканной сторон
В Bottino, Thomas и Janowski в 2011 году были описаны функционально градиентные мембраны, изготовленные методом последовательного электроформования: средняя часть состояла из композитного слоя PLCL с белком/полимером, а на обе стороны были нанесены наногидроксиапатит и метронидазол соответственно. В работе основное внимание уделялось морфологии, структуре и механическим свойствам каждого слоя, что продемонстрировало возможность раздельного проектирования костной и эпителиальной контактных поверхностей. Это исследование предоставляет основу для изучения структуры материалов, но на его основании нельзя напрямую утверждать, что пародонтальные ткани уже регенерированы.1
Обеспечение синергии между волоконной мембраной и трёхмерной опорой
В Liu и других работах 2021 года электроформованная мембрана из желатина с модификацией гепарином PCL/ сочеталась с напечатанным каркасом из желатина/наногидроксиапатита PCL/. Клеточные испытания проводились отдельно для верхнего мембранного слоя и нижнего пористого каркаса, а в животных экспериментах наблюдалось формирование кости. Это показывает, что электроформованный слой не обязательно должен самостоятельно выполнять все несущие функции: он также может быть частью композитного каркаса.2
Хотя в данной работе проектирование исходило из контекста GBR, для имплантационной проверки использовался дефект дистального отдела бедренной кости у кролика, а не дефект альвеолярной кости у пациента. Наблюдение новой кости в 20 неделю подтверждает перспективность композитной системы для восстановления кости, но эти результаты нельзя напрямую преобразовывать в клиническую эффективность в стоматологии. Для промышленной разработки следующим шагом следует перенести конструкцию в предполагаемую область применения и заново оценить фиксацию, сохранение объёма и тканевую реакцию.2
04Минерал-композитные волокна: ключевым является не только количество добавленных неорганических частиц
В Meng и других работах 2024 года в волокна PLLA был включён аморфный фосфат кальция (ACP), а последующей обработкой была создана иерархическая пористая структура, в результате чего часть частиц, ранее заключённых в полимере, оказалась на поверхности волокна. В исследовании также оценивались смачиваемость, механические свойства и клеточная реакция; при культивировании клеток человека с остеобластоподобными свойствами в течение 7 дней наблюдалось улучшение адгезии и пролиферации.3
Данная работа напоминает, что даже при одинаковом содержании фосфата кальция расположение частиц внутри волокон или на контактирующей с клетками поверхности может приводить к различному поведению на границе раздела. Поэтому при сравнении композитных составов следует фиксировать состояние дисперсии, экспозицию поверхности и структуру пор. Данная статья представляет собой исследование материалов и эксперименты in vitro и не доказывает на её основе факт регенерации костных дефектов.3
Она также показывает, что последующая обработка может стать переменной в разработке: электроформование задаёт исходный каркас, а последующая обработка дополнительно изменяет поверхность и пористую структуру. Однако до и после обработки следует применять одинаковые методы отбора образцов и оценки, а также проверять, соответствуют ли структура, свойства во влажном состоянии и остаточные компоненты предполагаемому назначению; нельзя ограничиваться лишь сравнением микрофотографий обработанного образца.3
05Локальная доставка и волокна типа «ядро–оболочка»: как распределить функции в соответствии с процессом восстановления кости
Различные волокна выполняют разные задачи высвобождения
В Al-Baadani и других работах 2023 года методом совместного электроформования были объединены желатиновые волокна с включением вещества P и волокна PCL с симвастатином. В исследовании различные процессы высвобождения последовательно связывались с привлечением клеток, реакциями, связанными с ангиогенезом, и остеогенезом; in vitro оценивались миграция, эндотелиальная сеть и показатели остеогенеза, а в дефектах черепа у крыс наблюдалось формирование кости. Это пример разделения функций между двумя типами волокон в одной мембране, а не клиническая рекомендация по определённому лекарственному составу.4
Использование различий между ядром и оболочкой для регулирования поддержки во влажном состоянии и деградации
В Zhang и других работах 2024 года для создания соосного волоконного каркаса использовались сердечник из PGA и оболочка из фиброина. В работе основное внимание уделялось прочности во влажном состоянии, поэтапной деградации и остеогенной реакции; формирование новой кости было подтверждено в дефектах черепа у крыс. В данном случае преимущество структуры «ядро–оболочка» заключается не только в доставке лекарственных средств: она также позволяет согласовывать сохранение структуры и процессы деградации двух материалов в физиологической жидкости.5
Одновременное наблюдение реакций, связанных с остеогенезом и резорбцией кости
В работах Anjum и последующих годах 2024 алендронат натрия был включён в сердечный слой PCL, а гидроксиапатит — в оболочку PLGA с последующей поверхностной модификацией полидофамином. В исследованиях одновременно изучались процессы, связанные с остеогенезом и резорбцией кости, in vitro, после чего наблюдалось за дефектами черепа у крыс в течение 12 недель. Таким образом, оценка была расширена от единичного показателя остеогенеза к сочетанию формирования и резорбции кости, однако это по-прежнему оставалось исследованием на животных в рамках конкретной системы.6
06Как при чтении литературы по регенерации костей различать результаты разных уровней?
Адгезия и пролиферация клеток отвечают на вопрос, способны ли клетки выживать и распространяться на материале; активность щелочной фосфатазы, экспрессия генов остеогенеза и окрашивание на минерализацию дополнительно предоставляют информацию о дифференцировке; микроструктура и гистология животных CT используются для наблюдения за формированием новой кости внутри дефекта. Предыдущий уровень доказательств ценен, но не может напрямую заменить последующий и тем более не может самостоятельно подтверждать клиническую остеоинтеграцию или способность к длительной нагрузке.2,3,4,5,6
Также следует обращать внимание на согласованность контрольных групп и целей применения. Пористый костный каркас, привлекающий клетки, не обязательно подходит для прямого использования в качестве ротовой барьерной плёнки, препятствующей проникновению мягких тканей. Модели черепа, бедренной кости и альвеолярной кости также не полностью идентичны. Отобранные в данной статье работы не содержат клинических испытаний эффективности у человека, поэтому они скорее помогают определить варианты материалов и пути проверки, а не позволяют сделать клинические выводы обо всех электроформованных материалах для регенерации костей.1,2,3,4,5,6
07От литературы к воспроизводимым образцам мембран для регенерации костей
При подготовке к изготовлению образцов можно сначала описать их морфологию: плоская барьерная мембрана, тонкий слой, который можно покрыть, или трёхмерный композитный каркас определённой толщины. Затем следует уточнить систему материалов, эффективные размеры, толщину или поверхностную плотность, пористую структуру и требования к работе во влажном состоянии. Таким образом, для подачи раствора, сопел, сбора и последующей обработки будут определены чёткие цели по образцам.
Для волокон, содержащих минеральные частицы, следует обращать внимание на дисперсию, седиментацию и изменения состава после длительной подачи раствора; для систем «ядро–оболочка» или двухслойных систем необходимо регистрировать подачу растворов по каждому каналу, последовательность осаждения и межслойное сцепление. При увеличении площади должны существовать сопоставимые места отбора проб в центре и по краям мембраны, а также в начальной и конечной частях процесса изготовления. Стабильность технологического процесса должна подтверждаться проверкой образцов, а не делаться исключительно на основании того, что «удается непрерывно получать волокна».
Верификация продукции также требует учёта остаточных растворителей, структуры после стерилизации, биосовместимости и деградации в зависимости от конкретного применения, а также необходимой фиксации и сохранения пространственной формы. Оборудование отвечает за изготовление и контроль технологического процесса, а пригодность материалов определяется соответствующими испытаниями и исследованиями.1,2,5
08Распространённые проблемы в разработке мембран для регенерации костей и ротовых барьерных плёнок
Можно ли напрямую использовать обычную волоконную мембрану PCL для изготовления мембраны GBR
PCL может служить отправной точкой для исследования, однако необходимо дополнительно проверить барьерные свойства мембраны, её структуру во влажном состоянии и способность сохранять пространственную форму. После добавления желатина, минералов или лекарственных средств следует заново оценить общие характеристики; нельзя судить о пригодности только по названию одного материала.1,2,4
Доказывает ли добавление гидроксиапатита наличие остеогенеза
Нет. Наличие частиц, клеточные реакции, связанные с остеогенезом, и формирование новой кости у животных относятся к разным уровням доказательств. Следует одновременно указать, в каком слое находятся частицы, как они контактируют с клетками и какие именно оценки были проведены.1,3,6
При подборе оборудования следует сначала обсудить, будет ли использоваться коаксиальное или много сопельное электроформование
Сначала опишите желаемую структуру. Если требуется разделение внутри одного волокна, можно рассмотреть коаксиальное электроформование; если же необходимо сосуществование двух типов волокон или разделение функций между слоями, следует обсудить многоканальную подачу растворов, совместное или последовательное осаждение. Окончательная конфигурация определяется с учётом систем растворов и верификации образцов.1,4,5,6
Список литературы
Ниже приведены оригинальные исследования, использованные в данной статье, независимо обобщённые компанией TONGLI. Интерпретация литературы не означает наличия у авторов статей, исследовательских учреждений или TONGLI отношений по поставке оборудования или сотрудничества; конкретный охват чтения указан в пояснениях к каждой работе.
Библиографические записи сохранены на языке оригинала для точного поиска.
Bottino MC, Thomas V, Janowski GM. A novel spatially designed and functionally graded electrospun membrane for periodontal regeneration. Acta Biomaterialia. 2011;7:216–224.
DOI：10.1016/j.actbio.2010.08.019 ↗Охват чтения: оригинальные аннотации и библиографические данные журналов; на их основе не делаются выводы об эффектах у животных или человека
Liu J, Zou Q, Wang C, et al. Electrospinning and 3D printed hybrid bi-layer scaffold for guided bone regeneration. Materials & Design. 2021;210:110047.
DOI：10.1016/j.matdes.2021.110047 ↗Охват чтения: оригинальный полный текст на месте; особое внимание уделяется разделу 2.6 с моделями на животных и результатам
Meng C, Liu X, Li J. Hierarchical porous PLLA/ACP fibrous membrane towards bone tissue scaffold. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2024;152:106455.
DOI：10.1016/j.jmbbm.2024.106455 ↗Охват чтения: оригинальный полный текст на месте с проверкой записей о статье в авторских учреждениях
Al-Baadani MA, Xu L, Cai K, et al. Preparation of co-electrospinning membrane loaded with simvastatin and substance P to accelerate bone regeneration by promoting cell homing, angiogenesis and osteogenesis. Materials Today Bio. 2023;21:100692.
DOI：10.1016/j.mtbio.2023.100692 ↗Охват чтения: оригинальный полный текст на месте и полный текст PMC
Zhang Y, Jian Y, Jiang X, et al. Stepwise degradable PGA-SF core-shell electrospinning scaffold with superior tenacity in wetting regime for promoting bone regeneration. Materials Today Bio. 2024;26:101023.
DOI：10.1016/j.mtbio.2024.101023 ↗Охват чтения: оригинальный полный текст на месте с проверкой библиографических данных PubMed
Anjum S, Wang Y, Xin Y, et al. Bioinspired core-shell nanofiber drug-delivery system modulates osteogenic and osteoclast activity for bone tissue regeneration. Materials Today Bio. 2024;26:101088.
DOI：10.1016/j.mtbio.2024.101088 ↗Охват чтения: оригинальный полный текст на месте и полный текст PMC
Вышеизложенное содержание основано на анализе и интерпретации общедоступных научных статей. В случае нарушения авторских прав или если первоначальные авторы не желают, чтобы соответствующая информация публиковалась в такой форме, пожалуйста, свяжитесь с нами, и мы немедленно удалим соответствующий материал.