Біоінженерні основи отримання ліофілізованого тканинномодифікованого біосумісного матриксу для використання у кардіохірургії

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorГалкін, Олександр Юрійович
dc.contributor.authorЩоткіна, Наталія Володимирівна
dc.date.accessioned2023-09-01T11:08:23Z
dc.date.available2023-09-01T11:08:23Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractЩоткіна Н.В. Біоінженерні основи отримання ліофілізованого тканинномодифікованого біосумісного матриксу для використання у кардіохірургії – кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 163 – Біомедична інженерія. Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2023. Актуальність теми дослідження. На сьогодні в світі проводиться близько 275 тис. хірургічних операцій на рік з імплантації протезів серцевого клапана як механічного, так і біологічного походження. Однак їх використання має низку недоліків, таких як ризик тромбоемболії, потреба в довічній антикоагуляційній терапії (механічні протези), недовговічність і необхідність заміни протеза (біологічні). Альтернативою виступають біоімпланти, створені на основі ксенотканин (наприклад, коней, свиней, великої рогатої худоби (ВРХ)), що за своїми механічними та біологічними властивостями близькі до тканин організму людини. Імплантати, створені на основі позаклітинного матриксу, очищеного від клітин шляхом децелюляризації (біоінженерної трансформації) тканини, все частіше використовуються в реконструктивній та регенеративній медицині, оскільки забезпечують репопуляцію власними клітинами реципієнта, швидке зростання та відновлення. Крім того, такі біоімпланти вважаються менш схильними до кальцифікації та забезпечують ідеальні гемодинамічні параметри. За своїми біомеханічними властивостями позаклітинний матрикс мало відрізняється від власне перикардіальної тканини й тому підходить для використання при заміні серцевих клапанів у дорослих і корекції вроджених вад серця у дітей. На європейському й американському ринках представлені комерційні ксенотрансплантати для кардіохірургії, децелюляризовані за різними методиками. Однак існує низка факторів, що обмежують їх застосування. Поперше, методики їх виготовлення здебільшого передбачають використання цитотоксичних альдегідів, що може в одиничних випадках викликати відторгнення трансплантата. В той же час безглютарові матрикси зростають у вартості в 3-4 рази. Крім економічної складової, важливим аспектом є довготривалість сертифікації закордонної медичної продукції в Україні, що особливо ускладнено під час епідеміологічних обмежень і воєнного стану. З огляду на гостру потребу медицини в якісному біологічному матеріалі вітчизняними науковцями була розроблена унікальна методика децелюляризації тканинномодифікованого матриксу перикарда ВРХ, що вже успішно пройшла стадію доклінічних досліджень. Однак для подальшої сертифікації продукту постало завдання в налагодженні економічно вигідного виробництва із дотриманням стандартів і законодавчих вимог. У той же час потребує подальшого дослідження вплив стерилізації та ліофілізації на властивості новостворених трансплантатів, що і визначає актуальність визначення оптимальних параметрів технології, адже і стерилізація, і ліофілізація можуть суттєво впливати на стабільність тканини. Таким чином, актуальність цього дослідження обумовлена необхідністю оптимізувати параметри процесу виробництва тканинномодифікованого матриксу та забезпечити довготривале зберігання продукту без втрати функціональних особливостей. Створення унікальної технологічної карти виробництва дасть змогу сертифікувати виріб медичного призначення і пришвидшить процес його застосування в кардіохірургічній практиці. Метою роботи було обґрунтування біоінженерних підходів до одержання ліофілізованого тканинномодифікованого біосумісного матриксу на основі перикарда ВРХ, придатного для використання в кардіохірургії. Для досягнення поставленої мети необхідно було розв’язати такі задачі: 1) удосконалити схему отримання тканинномодифікованого матриксу із перикарда ВРХ на основі аналізу критичних точок технології для покращення якісних і техніко-економічних характеристик ксеногенного біоімпланта; 2) удосконалити схему стерилізації тканинномодифікованого матриксу на основі перикарда ВРХ; 3) розробити технологічний прийом забезпечення стабільності тканинномодифікованого матриксу на основі перикарда ВРХ за умов довготривалого зберігання з використанням технології ліофілізації; 4) розробити апаратурну та технологічну схеми виробництва ліофілізованого тканинномодифікованого біосумісного матриксу на основі перикарда ВРХ. Наукова новизна отриманих результатів. Уперше обґрунтовано та розроблено апаратурну та технологічну схеми отримання ліофілізованого тканинномодифікованого біосумісного матриксу перикарда ВРХ на основі високоефективного методу децелюляризації ксеногенного біоматеріалу, яка забезпечує технологічне та біоінженерне оснащення виробництва біоімпланта. Вперше науково обґрунтовано й розроблено алгоритм стерилізації та ліофілізації тканинномодифікованого матриксу зі збереженням архітектоніки колаген-еластинового каркасу, що дає можливість використовувати його як біоімплант у кардіохірургічний практиці. Отриманий за розробленою схемою медичний виріб являє собою латку з перикарда ВРХ, призначену для усунення дефектів у серцево-судинній хірургії шляхом імплантації в організм донора. Результати роботи доповнили сучасні науково-методичні підходи до створення та довготривалого зберігання біосумісних ксеногенних матеріалів (трансплантатів) для використання в кардіохірургії. Практичне значення отриманих результатів. За результатами проведених експериментальних досліджень було отримано оптимізовану схему децелюляризації тканини перикарда ВРХ, що дало змогу більш ніж у 3 рази скоротити час виробництва біоімпланта. Визначення раціональних умов стерилізації шляхом опромінення та ліофілізації дає змогу зберегти структуру колаген-еластинового каркасу тканинномодифікованого матриксу, близьку за своїми характеристиками до нативного перикарда, що є важливим при кардіохірургічний пластиці. Результати роботи впроваджено з 2022/23 н.р. у викладання курсів “Біоматеріали і біотехнології” та “Клітинна, тканинна та біофармацевтична інженерія” для студентів спеціальності 163 – Біомедична інженерія на кафедрі трансляційної медичної біоінженерії КПІ ім. Ігоря Сікорського (довідка про використання результатів дисертаційної роботи від 11.07.2022 р.) та у виробничому процесі товариства з обмеженою відповідальністю «ІКСПАНД» (довідка про використання результатів дисертаційної роботи від 30.01.2023 р.). Основні положення роботи викладені в 11 наукових працях, у тому числі в 3 статтях у наукових фахових виданнях України за спеціальнічтю 163 - Біомедична інженерія, у 3 що включенні до міжнародної наукометричної бази даних Scopus, у тому числі в 2 статтях у закордонних фахових виданнях, у 4 тезах конгресів, з’їздів, наукових конференцій.uk
dc.description.abstractotherShchotkina N.V. Bioengineering foundations of obtaining lyophilized tissuemodified biocompatible matrix for use in cardiac surgery - qualification scientific work in manuscript form. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 163 - Biomedical Engineering. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2023. The relevance of the research topic is that currently, around 275,000 surgical operations are performed worldwide each year for the implantation of heart valve prostheses, both mechanical and biological. However, their use has several drawbacks, such as the risk of thromboembolism, the need for lifelong anticoagulant therapy (mechanical prostheses), short lifespan, and the need for prosthesis replacement (biological prostheses). An alternative is bioimplants created based on xenotissues (for example, horses, pigs, cattles), which have mechanical and biological properties similar to human tissue. Implants, which are based on decellularized extracellular matrix tissue (bioengineering transformation), are increasingly used in reconstructive and regenerative medicine since they ensure repopulation by the recipient's own cells, rapid growth and regeneration. In addition, such bioimplants are considered less prone to calcification and provide better hemodynamic parameters. With its biomechanical properties, the extracellular matrix differs little from native pericardial tissue, making it suitable for replacing heart valves in adults and correcting congenital heart defects in children. Commercial xenotransplants for cardiothoracic surgery, decellularized by various methods, are available on the European and American markets. However, there are several factors that limit their use. Firstly, the manufacturing methods mostly involve the use of cytotoxic aldehydes, which can, in rare cases, cause rejection of the transplant. Additionally, the cost of glutaraldehyde-free matrices has increased three to four times. Besides the economic component, an important aspect is the lengthy certification process of foreign medical products in Ukraine, which is particularly complicated during epidemiological restrictions and a state of war. According to the current urgent need for medicine for high-quality biological material, domestic scientists have developed a unique method for decellularization of the tissue-modified matrix of the bovine pericardium, which has already successfully passed the stage of preclinical trials. However, the aim for further certification of the product is to establish an economically viable production process that complies with standards and legislative requirements. At the same time, the impact of sterilization and lyophilization on the properties of newly created transplants requires further research, which determines the relevance of defining optimal technology parameters, as both sterilization and lyophilization can significantly affect tissue stability. Thus, the relevance of this research is driven by the need to optimize the parameters of the tissue-modified matrix manufacturing process and ensure long-term storage of the product without loss of functional features. Creating a unique technological roadmap for manufacturing will allow certification of the medical device and speed up its use in cardiac surgical practice. The aim of the work was to justify the bioengineering approaches to obtain a lyophilized tissue-modified biocompatible matrix based on the pericardium of cattle suitable for use in cardio surgery. To achieve the goal, the following tasks were necessary: 1. Improve the scheme for obtaining tissue-modified matrix from cattle pericardium based on the analysis of critical points of the technology to improve the qualitative and techno-economic characteristics of the xenogeneic bioimplant; 2. Improve the scheme for sterilization of tissue-modified matrix based on cattle pericardium; 3. Develop a technological process to ensure the stability of the tissuemodified matrix based on cattle pericardium under conditions of long-term storage using lyophilization technology; 4. Develop hardware and technological schemes for the production of lyophilized tissue-modified biocompatible matrix based on cattle pericardium. Scientific novelty of the obtained results. For the first time, the hardware and technological schemes for obtaining a lyophilized tissue-modified biocompatible matrix of the cattle pericardium have been substantiated and developed based on a highly effective method of decellularization of xenogenic biomaterial, which provides technological and bioengineering equipment for the manufacturing of a bioimplant. For the first time, the algorithm for sterilization and lyophilization of tissue-modified matrix while preserving the architecture of the collagen-elastin framework has been scientifically substantiated and developed, which makes it possible to use it as a bioimplant in cardiovascular surgery. The medical device obtained according to the developed scheme is a patch from the cattle pericardium intended for eliminating defects in cardiovascular surgery by implantation into the donor's body. The results of the work complement modern scientific and methodological approaches to the creation and long-term storage of biocompatible xenogenic materials (transplants) for use in cardiovascular surgery. The practical significance of the obtained results. As a result of experimental studies, an optimized scheme for decellularization of the cattle pericardial tissue was developed, which made it possible to reduce the manufacturing time of the bioimplant by more than in 3 times. Determination of rational sterilization conditions by irradiation and lyophilization enables preservation of the collagen-elastin framework structure of the tissue-modified matrix, which is similar in its characteristics to the native pericardium and is important in cardiac surgical plasticity. The results of the work have been implemented since the 2022/23 academic year in the courses "Biomaterials and Biotechnology" and "Cellular, Tissue, and Biopharmaceutical Engineering" for students of the specialty 163 - Biomedical Engineering at the Department of Translational Medical Bioengineering of Igor Sikorsky KPI (confirmation of the use of dissertation results from 11.07.2022), as well as in the manufacturing process of the limited liability company "IXPAND" (confirmation of the use of dissertation results from 30.01.2023). The main provisions of the work are presented in 11 scientific works, including 3 articles in scientific specialized publications of Ukraine on the specialty 163 - Biomedical Engineering, 3 articles included in the international scientometric database Scopus, including in 2 articles in foreign specialized publications, in 4 abstracts of congresses, congresses, scientific conferences.uk
dc.format.extent191 с.uk
dc.identifier.citationЩоткіна, Н. В. Біоінженерні основи отримання ліофілізованого тканинномодифікованого біосумісного матриксу для використання у кардіохірургії : дис. ... доктора філософії : 163 – Біомедична інженерія / Щоткіна Наталія Володимирівна. - Київ, 2023. - 191 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/59713
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectбіоінженеріяuk
dc.subjectбіоімплантuk
dc.subjectліофілізаціяuk
dc.subjectдецелюляризаціяuk
dc.subjectксенотканинаuk
dc.subjectстерилізаціяuk
dc.subjectbioengineeringuk
dc.subjectbioimplantuk
dc.subjectlyophilizationuk
dc.subjectdecellularizationuk
dc.subjectxenotissueuk
dc.subjectsterilizationuk
dc.subject.udc602:616.12-089.843](043.3)uk
dc.titleБіоінженерні основи отримання ліофілізованого тканинномодифікованого біосумісного матриксу для використання у кардіохірургіїuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Shchotkina_dys.pdf
Розмір:
7.08 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.1 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (БМІ)
Дисертації (вільний доступ)