Functional Bone Tissue Engineering: Impulse und Gerüststrukturen. Gewebeingenieur Beruflich wichtige Eigenschaften

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Makeevskaya Sekundarschule I - III Stufen №72

zum Thema: Tissue Engineering in der Medizin

Vollendet:

Shujaulla Kamil

Einführung

1.1 Primärzellen

1.2 Stammzellen

3.2 3D-Biodruck

4. Gewebekultivierung

4.7 Knochenmark

5 Organzucht

5.1 Blase

5.2 Luftröhre

5.4 Leber

5.5 Herz

5.6 Lungen

Abschluss

Anwendung

Einführung

Eine der Richtungen der Biotechnologie, die sich mit der Schaffung biologischer Ersatzstoffe für Gewebe und Organe beschäftigt, ist Tissue Engineering (TI).

Tissue Engineering ist die Schaffung neuer Gewebe und Organe für die therapeutische Rekonstruktion eines geschädigten Organs, indem Stützstrukturen, Zellen, molekulare und mechanische Signale an den gewünschten Bereich zur Regeneration geliefert werden.

Derzeit wird Tissue Engineering in der klinischen Praxis zur Behandlung von degenerativen Erkrankungen und Fehlbildungen eingesetzt; bei Verbrennungen und Verletzungen, bei später Hydro- und Ureterohydronephrose sowie bei Zahn- und Schönheitsoperationen.

Moderne Entwicklungen in der Biomedizin, insbesondere Tissue Engineering; kann verwendet werden, um die Wirksamkeit der Behandlung bei der Wiederherstellung von verloren gegangenem funktionell signifikantem Gewebe zu verbessern.

1. Zellen für das Tissue Engineering

Das wichtigste Erfolgselement ist die Verfügbarkeit der erforderlichen Anzahl funktionell aktiver Zellen, die in der Lage sind, sich zu differenzieren, den entsprechenden Phänotyp aufrechtzuerhalten und spezifische biologische Funktionen auszuführen. Die Quelle der Zellen können Körpergewebe und innere Organe sein. Es ist möglich, geeignete Zellen von einem Patienten, der eine rekonstruktive Therapie benötigt, oder von einem nahen Verwandten (autogene Zellen) zu verwenden. Verwendet werden können Zellen verschiedener Herkunft, einschließlich Primär- und Stammzellen.

1.1 Primärzellen

Primärzellen sind reife Zellen eines bestimmten Gewebes, die einem Spenderorganismus (ex vivo) durch einen chirurgischen Eingriff direkt entnommen werden können. Wenn die Primärzellen einem bestimmten Spenderorganismus entnommen werden und diesem anschließend diese Zellen als Empfänger implantiert werden müssen, ist die Wahrscheinlichkeit einer Abstoßung des implantierten Gewebes ausgeschlossen, da eine größtmögliche immunologische Verträglichkeit der Primärzellen besteht und der Empfänger. Primärzellen sind jedoch in der Regel nicht teilungsfähig - ihr Reproduktions- und Wachstumspotential ist gering.

Bei der Kultivierung solcher Zellen in vitro (durch Tissue Engineering) ist bei manchen Zelltypen eine Dedifferenzierung, also der Verlust spezifischer, individueller Eigenschaften möglich. Zum Beispiel produzieren Chondrozyten, die außerhalb des Körpers in Kultur gebracht werden, oft eher faserigen als transparenten Knorpel.

Da Primärzellen nicht teilungsfähig sind und ihre spezifischen Eigenschaften verlieren können, besteht ein Bedarf an alternativen Zellquellen für die Entwicklung von Zell-Engineering-Technologien. Stammzellen sind zu einer solchen Alternative geworden.

1.2 Stammzellen

Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich unter dem Einfluss spezifischer biologischer Stimuli teilen, selbst erneuern und in verschiedene Arten von spezialisierten Zellen differenzieren können.

Stammzellen werden in „erwachsene“ und „embryonale“ Zellen unterteilt.

Die Quelle „erwachsener“ Stammzellen ist Nabelschnurblut, das nach der Geburt eines Kindes gewonnen wird. Dieses Blut ist sehr reich an Stammzellen. Indem dieses Blut aus der Nabelschnur des Kindes entnommen und in einer Kryobank (spezielle Lagerung) aufbewahrt wird, können Stammzellen später verwendet werden, um fast jedes Gewebe und Organ dieses Individuums wiederherzustellen. Es ist auch möglich, diese Stammzellen zur Behandlung anderer Patienten zu verwenden, sofern sie Antigen-kompatibel sind. Amerikanische Wissenschaftler haben Stammzellen aus der menschlichen Plazenta gewonnen (dort ist ihre Zahl zehnmal höher als im Nabelschnurblut), die sich in Haut-, Blut-, Muskel- und Nervenzellen umwandeln können.

Die Quelle einer anderen Art von Stammzellen, fötaler (embryonaler) Stammzellen, ist das abortive Material der 9. bis 12. Schwangerschaftswoche. Diese Quelle ist bei weitem die am häufigsten verwendete. Aber abgesehen von ethischen und rechtlichen Reibungspunkten können fötale Zellen manchmal eine Transplantatabstoßung verursachen. Darüber hinaus ist die Verwendung von ungetestetem Abtreibungsmaterial mit einer Infektion des Patienten mit Virushepatitis, AIDS, Cytomegalovirus usw. behaftet.

Um die Organisation zu steuern, das Wachstum und die Differenzierung von Zellen im Prozess der Rekonstruktion von beschädigtem Gewebe aufrechtzuerhalten, wird ein spezieller Zellträger benötigt - eine Matrix, die ein dreidimensionales Netzwerk ähnlich einem Schwamm oder Bimsstein ist (ergänzende Abb. 3). . Zu ihrer Herstellung werden biologisch inerte Kunststoffe, Materialien auf Basis natürlicher Polymere (Chitosan, Alginat, Kollagen) und Biokomposite verwendet. Beispielsweise werden Knochengewebeäquivalente durch gezielte Differenzierung von Knochenmark-, Nabelschnurblut- oder Fettgewebsstammzellen zu Osteoblasten gewonnen, die dann auf verschiedene Materialien aufgebracht werden, die ihre Teilung unterstützen (z. B. Spenderknochen, Kollagenmatrizen etc.).

2. Phasen der Herstellung künstlicher Organe

Bis heute sieht eine der Strategien des Tissue Engineering wie folgt aus:

1. Auswahl und Kultivierung von eigenem oder Spender-Zellmaterial.

Bei dem Zellmaterial kann es sich um regenerierte Gewebezellen oder Stammzellen handeln.

Im ersten Schritt wird eigenes oder gespendetes Zellmaterial ausgewählt (Biopsie), gewebespezifische Zellen isoliert und kultiviert. Die Zusammensetzung der Tissue-Engineering-Struktur oder des Transplantats umfasst neben der Zellkultur einen speziellen Träger (Matrix)

2. Entwicklung eines speziellen Zellträgers (Matrix) auf Basis biokompatibler Materialien

Matrizen können aus verschiedenen biokompatiblen Materialien hergestellt werden. Zur Herstellung von Transplantatmatrizen werden biologisch inerte synthetische Materialien, Materialien auf Basis natürlicher Polymere (Chitosan, Alginat, Kollagen) sowie Biokompositmaterialien verwendet. Beispielsweise werden Knochengewebeäquivalente durch gezielte Differenzierung von Knochenmark-, Nabelschnurblut- oder Fettgewebsstammzellen gewonnen. Die Zellen der resultierenden Kultur werden auf die Matrix aufgetragen. technische Gewebe-Organ-Züchtung

3. Aufbringen der Zellkultur auf eine Matrix und Zellvermehrung in einem Bioreaktor mit speziellen Kultivierungsbedingungen

Wo die Kultur für eine bestimmte Zeit inkubiert wird. Die ersten Bioreaktoren wurden geschaffen, um künstliches Lebergewebe herzustellen.

4. Direktes Einbringen des Transplantats in den Bereich des betroffenen Organs oder vorläufige Platzierung in einem gut durchbluteten Bereich zur Reifung und Bildung einer Mikrozirkulation im Inneren des Transplantats (Vorfertigung)

Biomaterialien, die zur Gewinnung von Matrizen verwendet werden, müssen biologisch inert sein und nach der Transplantation (Übertragung in den Körper) die Lokalisierung des darauf abgelagerten Zellmaterials an einem bestimmten Ort gewährleisten. Die meisten Biomaterialien des Tissue Engineering werden im Körper leicht zerstört (resorbiert) und durch körpereigenes Gewebe ersetzt. Dabei sollen keine Zwischenprodukte entstehen, die toxisch sind, den pH-Wert des Gewebes verändern oder das Wachstum und die Differenzierung der Zellkultur beeinträchtigen. Nicht resorbierbare Materialien werden fast nie verwendet, weil sie schränken die regenerative Aktivität ein, verursachen eine übermäßige Bildung von Bindegewebe, provozieren eine Reaktion auf einen Fremdkörper (Einkapselung)

Lebende Hautäquivalente, die Spender- oder eigene Hautzellen enthalten, werden derzeit in großem Umfang in den USA, Russland und Italien verwendet. Diese Konstruktionen verbessern die Heilung ausgedehnter Verbrennungsflächen. Die Entwicklung von Transplantaten erfolgt auch in der Kardiologie (künstliche Herzklappen, Rekonstruktion großer Gefäße und Kapillarnetze); zur Wiederherstellung der Atmungsorgane (Kehlkopf, Luftröhre und Bronchien), des Dünndarms, der Leber, der Organe des Harnsystems, der endokrinen Drüsen und der Neuronen. Metallnanopartikel in der Gewebezüchtung werden verwendet, um das Zellwachstum zu steuern, indem sie Magnetfeldern unterschiedlicher Richtungen ausgesetzt werden. Auf diese Weise konnten beispielsweise nicht nur Analoga von Leberstrukturen, sondern auch so komplexe Strukturen wie Elemente der Netzhaut hergestellt werden. Auch Nanokompositmaterialien, die unter Verwendung des Verfahrens der Elektronenstrahllithographie (Elektronenstrahllithographie, EBL) hergestellt wurden, stellen eine nanoskalige Oberflächenrauheit von Matrizen für eine effiziente Bildung von Knochenimplantaten bereit. Die Schaffung künstlicher Gewebe und Organe wird es ermöglichen, die Transplantation der meisten Spenderorgane abzulehnen, die Lebensqualität und das Überleben der Patienten zu verbessern.

3. Grundlegende Methoden des Tissue Engineering

3.1 Simulation der natürlichen Organogenese

Organogenese - der Prozess der Organbildung während der Embryonalentwicklung

Die Organogenese wird begleitet von der Differenzierung von Zellen, Geweben, selektivem und ungleichmäßigem Wachstum einzelner Organe und Körperteile, setzt sich in der Larve fort und endet in der Jugendphase.

3.2 3D-Biodruck

Vielversprechende Tissue-Engineering-Technologien haben die Möglichkeit der Herstellung lebender Gewebe und Organe im Labor eröffnet, aber die Wissenschaft ist vor der Herstellung komplexer Organe immer noch machtlos. Allerdings ist Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Gunter Tovar von der Fraunhofer-Gesellschaft in Deutschland vor relativ kurzer Zeit ein großer Durchbruch auf dem Gebiet der Gewebezüchtung gelungen – sie haben eine Technologie zur Schaffung von Blutgefäßen entwickelt. Es schien jedoch unmöglich zu sein, Kapillarstrukturen künstlich zu erzeugen, da sie flexibel, elastisch und klein sein müssen und gleichzeitig mit natürlichen Geweben interagieren müssen. Seltsamerweise, aber Produktionstechnologien kamen zur Rettung - eine Methode des Rapid Prototyping (mit anderen Worten 3D-Druck). Es versteht sich, dass ein komplexes dreidimensionales Modell (in unserem Fall ein Blutgefäß) mit spezieller „Tinte“ auf einem dreidimensionalen Tintenstrahldrucker gedruckt wird. Der Drucker trägt das Material schichtweise auf, an bestimmten Stellen werden die Schichten chemisch verbunden. Wir stellen jedoch fest, dass dreidimensionale Drucker für die kleinsten Kapillaren noch nicht genau genug sind. Dabei wurde das in der Polymerindustrie verwendete Multiphotonen-Polymerisationsverfahren angewendet. Kurze intensive Laserpulse, die das Material bearbeiten, regen die Moleküle so stark an, dass sie miteinander wechselwirken und sich zu langen Ketten verbinden. Dadurch polymerisiert das Material und wird hart, aber elastisch, wie natürliche Materialien. Diese Reaktionen sind so kontrollierbar, dass sich damit kleinste Strukturen nach einer dreidimensionalen „Zeichnung“ erzeugen lassen.

Und damit die entstandenen Blutgefäße an die Körperzellen andocken können, werden bei der Herstellung von Gefäßen modifizierte biologische Strukturen (zum Beispiel Heparin) und „Anker“-Proteine in sie eingebaut. In der nächsten Phase werden Endothelzellen (eine einzelne Schicht flacher Zellen, die die innere Oberfläche von Blutgefäßen auskleiden) in dem System der geschaffenen „Tubuli“ fixiert, so dass Blutbestandteile nicht an den Wänden des Gefäßsystems haften bleiben, sondern frei sind dadurch transportiert. Es wird jedoch noch einige Zeit dauern, bis im Labor gezüchtete Organe mit eigenen Blutgefäßen tatsächlich implantiert werden können.

Züchtung von Organen auf einer Spender- oder xenologischen Matrix, Züchtung von Organen auf einer künstlichen Matrix siehe S.3

4. Gewebekultivierung

Die Kultivierung einfacher Gewebe ist eine bereits existierende und in der Praxis eingesetzte Technologie.

Die Wiederherstellung geschädigter Hautareale ist bereits Teil der klinischen Praxis. In einigen Fällen werden Methoden verwendet, um die Haut der Person selbst zu regenerieren, zum Beispiel das Opfer einer Verbrennung durch Spezialeffekte. Dies wird zum Beispiel von R.R. Rakhmatullin Biokunststoff Hyamatrix oder Biocol, entwickelt von einem Team unter der Leitung von B.K. Gavrilyuk. Spezielle Hydrogele werden auch verwendet, um Haut an der Verbrennungsstelle wachsen zu lassen.

Auch Verfahren zum Drucken von Hautgewebefragmenten mit speziellen Druckern werden entwickelt. Solche Technologien werden zum Beispiel von Entwicklern der amerikanischen Zentren für Regenerative Medizin AFIRM und WFIRM entwickelt.

Dr. Jörg Gerlach und Kollegen vom Institute for Regenerative Medicine an der University of Pittsburg haben ein Hauttransplantationsgerät erfunden, das Menschen dabei helfen wird, Verbrennungen unterschiedlichen Schweregrades schneller zu heilen. Skin Gun sprüht eine Lösung mit seinen eigenen Stammzellen auf die geschädigte Haut des Opfers. Derzeit befindet sich eine neue Behandlungsmethode im Versuchsstadium, doch die Ergebnisse können sich bereits sehen lassen: Schwere Verbrennungen heilen in wenigen Tagen ab.

Eine Gruppe von Mitarbeitern der Columbia University unter der Leitung von Gordana Vunjak-Novakovic (Gordana Vunjak-Novakovic) erhielt aus Stammzellen, die auf einen Rahmen ausgesät wurden, ein Knochenfragment, das einem Teil des Kiefergelenks ähnelt Wissenschaftler der israelischen Firma Bonus Biogroup (Gründer und Geschäftsführer - Pai Meretsky und Shai Meretzki entwickeln Verfahren zum Züchten menschlicher Knochen aus dem durch Fettabsaugung gewonnenen Fettgewebe eines Patienten. Der so gewachsene Knochen wurde bereits erfolgreich in die Pfote einer Ratte transplantiert.

Italienische Wissenschaftler der Universität Udine konnten zeigen, dass eine Population von mesenchymalen Stammzellen, die in vitro aus einer einzelnen Fettgewebszelle gewonnen wurden, selbst in Abwesenheit einer spezifischen strukturellen Matrix oder eines Substrats in eine Struktur differenziert werden kann, die einem Zahnkeim ähnelt .

An der Universität Tokio haben Wissenschaftler vollwertige Zähne aus Mausstammzellen gezüchtet, die Zahnknochen und Bindefasern enthalten, und sie erfolgreich in die Kiefer von Tieren transplantiert.

Spezialisten des Columbia University Medical Center (Columbia University Medical Center) unter der Leitung von Jeremy Mao (Jeremy Mao) gelang es, den Gelenkknorpel von Kaninchen wiederherzustellen.

Zunächst entnahmen die Forscher den Tieren das Knorpelgewebe des Schultergelenks sowie die darunter liegende Schicht Knochengewebe. Dann wurden Kollagengerüste anstelle des entfernten Gewebes platziert.

Bei den Tieren, deren Gerüste einen transformierenden Wachstumsfaktor enthielten, ein Protein, das Zelldifferenzierung und -wachstum steuert, wurde Knochen- und Knorpelgewebe am Oberarmknochen neu gebildet und die Beweglichkeit im Gelenk vollständig wiederhergestellt.

Einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler der University of Texas in Austin ist es gelungen, Knorpelgewebe mit mechanischen Eigenschaften und Zusammensetzung der extrazellulären Matrix zu schaffen, die sich in verschiedenen Bereichen ändern.

1997 gelang es dem Chirurgen Jay Vscanti vom Massachusetts General Hospital in Boston, aus Knorpelzellen ein menschliches Ohr auf dem Rücken einer Maus zu züchten.

Ärzte der Johns Hopkins University entfernten einer 42-jährigen Frau mit Krebs ein tumorbefallenes Ohr und einen Teil des Schädelknochens. Unter Verwendung von Brustknorpel, Haut und Blutgefäßen aus anderen Körperteilen der Patientin wuchsen sie ein künstliches Ohr auf ihrem Arm und transplantierten es dann an die richtige Stelle.

Forscher des Worcester Polytechnic Institute (USA) haben erfolgreich eine große Wunde im Muskelgewebe von Mäusen repariert, indem sie Mikrofilamente gezüchtet und implantiert haben, die aus einem Proteinpolymer Fibrin bestehen, das mit einer Schicht menschlicher Muskelzellen überzogen ist.

Israelische Wissenschaftler des Technion-Israel Institute of Technology untersuchen in vitro den notwendigen Grad an Vaskularisierung und Gewebeorganisation, um das Überleben und die Integration eines durch Gewebezüchtung hergestellten vaskularisierten Muskelimplantats im Körper des Empfängers zu verbessern.

Forscher der Pierre-und-Marie-Curie-Universität in Paris unter der Leitung von Luc Douay haben zum ersten Mal weltweit erfolgreich künstliches Blut aus Stammzellen an menschlichen Freiwilligen getestet.

Jeder der Teilnehmer des Experiments erhielt 10 Milliarden rote Blutkörperchen, was etwa zwei Millilitern Blut entspricht. Die Überlebensraten der resultierenden Zellen waren mit denen herkömmlicher Erythrozyten vergleichbar.

4.7 Knochenmark

Ein künstliches Knochenmark, das für die In-vitro-Produktion von Blutzellen entwickelt wurde, wurde erstmals erfolgreich von Forschern des Chemical Engineering Laboratory der University of Michigan unter der Leitung von Nicholas Kotov hergestellt. Mit seiner Hilfe ist es bereits möglich, hämatopoetische Stammzellen und B-Lymphozyten – Zellen des Immunsystems, die Antikörper produzieren – zu gewinnen.

5. Wachsende komplexe Organe

5.1 Blase

Dr. Anthony Atala und seine Kollegen von der Wake Forest University in den USA züchten Blasen aus patienteneigenen Zellen und transplantieren sie in Patienten.

Sie wählten mehrere Patienten aus und entnahmen ihnen eine Blasenbiopsie – Proben von Muskelfasern und Urothelzellen. Diese Zellen vermehrten sich sieben bis acht Wochen lang in Petrischalen auf einer blasenförmigen Unterlage. Anschließend wurden die so gezüchteten Organe in die Körper von Patienten eingenäht.

Follow-ups von Patienten über mehrere Jahre zeigten, dass die Organe gut funktionierten, ohne die negativen Auswirkungen älterer Behandlungen.

Tatsächlich ist dies das erste Mal, dass ein ausreichend komplexes Organ anstelle von einfachen Geweben wie Haut und Knochen künstlich in vitro gezüchtet und in einen menschlichen Körper transplantiert wurde. Dieses Team entwickelt auch Methoden zur Züchtung anderer Gewebe und Organe.

5.2 Luftröhre

Spanische Chirurgen führten die weltweit erste Transplantation einer Luftröhre durch, die aus Stammzellen einer Patientin, der 30-jährigen Claudia Castillo, gezüchtet wurde.

Das Organ wurde an der Universität Bristol unter Verwendung eines Spendergerüsts aus Kollagenfasern gezüchtet.

Die Operation wurde von Professor Paolo Macchiarini vom Hospital Clínic de Barcelona durchgeführt.

Professor Macchiarini arbeitet aktiv mit russischen Forschern zusammen, was es ermöglichte, die ersten Operationen zur Transplantation einer gewachsenen Luftröhre in Russland durchzuführen.

Advanced Cell Technology berichtete im Jahr 2002, dass sie erfolgreich eine komplette Niere aus einer einzelnen Zelle gezüchtet hatten, die einem Kuhohr entnommen wurde, indem sie Klontechnologie verwendeten, um Stammzellen zu erhalten.

Mit einer speziellen Substanz wurden die Stammzellen in Nierenzellen umgewandelt.

Das Gewebe wurde auf einem Gerüst gezüchtet, das aus einem selbstzerstörenden Material hergestellt wurde, das an der Harvard Medical School hergestellt wurde und wie eine gewöhnliche Niere geformt war. Die resultierenden etwa 5 cm langen Nieren wurden der Kuh neben den Hauptorganen implantiert.

Als Ergebnis begann die künstliche Niere erfolgreich, Urin zu produzieren.

5.4 Leber

Amerikanische Experten des Massachusetts General Hospital (Massachusetts General Hospital) unter der Leitung von Korkut Yugun (Korkut Uygun) transplantierten erfolgreich mehrere Ratten mit im Labor gezüchteter Leber aus ihren eigenen Zellen.

Die Forscher entnahmen fünf Laborratten die Leber, säuberten sie von Wirtszellen und erhielten so bindegewebige Gerüste von Organen.

Die Forscher injizierten dann ungefähr 50 Millionen Leberzellen von Empfängerratten in jedes der fünf Gerüste. Innerhalb von zwei Wochen bildete sich auf jedem der mit Zellen besiedelten Gerüste eine voll funktionsfähige Leber.

Die im Labor gezüchteten Organe wurden dann erfolgreich in fünf Ratten transplantiert.

5.5 Herz

Wissenschaftler des britischen Krankenhauses Heafield unter der Leitung von Megdi Yakub haben zum ersten Mal in der Geschichte einen Teil des Herzens gezüchtet, indem sie Stammzellen als „Baumaterial“ verwendeten. Ärzte haben Gewebe gezüchtet, das genau wie die Herzklappen funktioniert, die für den Blutfluss im menschlichen Körper verantwortlich sind. Wissenschaftler der Universität Rostock (Deutschland) nutzten die Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT)-Zelldrucktechnologie, um ein „Patch“ herzustellen, das für die Herzregeneration entwickelt wurde.

5.6 Lungen

Amerikanische Wissenschaftler der Yale University (Yale University) unter der Leitung von Laura Niklason (Laura Niklason) haben in der Laborlunge (auf einer extrazellulären Spendermatrix) gezüchtet. Die Matrix wurde mit Lungenepithelzellen und der inneren Auskleidung von Blutgefäßen gefüllt, die anderen Individuen entnommen wurden. Durch die Kultivierung in einem Bioreaktor gelang es den Forschern, neue Lungen zu züchten, die dann mehreren Ratten transplantiert wurden. Das Organ funktionierte bei verschiedenen Personen 45 Minuten bis zwei Stunden nach der Transplantation normal. Danach begannen sich jedoch Blutgerinnsel in den Lungengefäßen zu bilden. Darüber hinaus zeichneten die Forscher das Austreten einer kleinen Menge Blut in das Lumen des Organs auf. Forschern ist es jedoch erstmals gelungen, das Potenzial der regenerativen Medizin für die Lungentransplantation aufzuzeigen.

Abschluss

Cellular (Tissue) Engineering ist ein Zweig der Biotechnologie, der Methoden verwendet, um Zellen aus dem Körper zu isolieren, sie zu transformieren und auf Nährmedien zu züchten.

Einer der Bereiche des Zell-Engineerings ist die Verwendung von Stammzellen zur Wiederherstellung beschädigter Gewebe und Organe. Unter Laborbedingungen ist die Reproduktion und weitere Spezialisierung von Stammzellen möglich. Dies eröffnet Perspektiven für die künstliche Züchtung von Geweben und einigen Organen von Menschen und Tieren zum Zweck ihrer späteren Einbringung in Organismen.

Ein weiterer Bereich des Cell Engineering ist das Klonen von Organismen. Klon (aus dem Griechischen. Klon - Zweig, Nachkomme) ist eine Sammlung von Zellen oder Individuen, die von einem gemeinsamen Vorfahren asexuell erhalten wurden; Klon besteht aus genetisch homogenen Zellen oder Organismen. Bei Pflanzen ist das natürliche Klonen aufgrund der asexuellen, insbesondere vegetativen, Vermehrung weit verbreitet. Wissenschaftler erhalten auch künstliche Pflanzenklone.

Anwendung

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Klinische Forschungen[ | ]

Tissue-Engineering-Konstrukte auf Basis biokompatibler Materialien wurden in klinischen Studien an Patienten mit urologischen und dermatologischen Erkrankungen untersucht.

siehe auch [ | ]

Anmerkungen [ | ]

, Fox C. F. Tissue Engineering: Proceedings of a Workshop, gehalten in Granlibakken, Lake Tahoe, Kalifornien, 26.-29. Februar 1988. - Alan R. Liss, 1988. - T. 107.
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Die Gewebezüchtung wurde einst als Unterbereich biologischer Materialien klassifiziert, aber da sie an Umfang und Bedeutung zugenommen hat, kann sie als eigenständiger Unterbereich angesehen werden. Stoffe benötigen bestimmte mechanische und strukturelle Eigenschaften, um richtig zu funktionieren. Der Begriff "Tissue Engineering" bezieht sich auch auf die Korrektur der Leistung spezifischer biochemischer Funktionen unter Verwendung von Zellen in einem künstlich geschaffenen Trägersystem (z. B. einer künstlichen Bauchspeicheldrüse oder einer künstlichen Leber). Der Begriff „regenerative Medizin“ wird oft als Synonym für Tissue Engineering verwendet, obwohl in der regenerativen Medizin mehr Wert auf die Verwendung von Stammzellen zur Herstellung von Geweben gelegt wird.

Typischerweise wird Tissue Engineering, wie Langer und Vacanti feststellten, als „ein interdisziplinäres Gebiet angesehen, in dem die Prinzipien der Ingenieurwissenschaften und der Biologie angewendet werden, um biologische Ersatzstoffe zu entwickeln, d. h. die Wiederherstellung, Erhaltung oder Verbesserung der Funktion von Geweben oder eines ganzen Organs ." Gewebezüchtung wurde auch definiert als „das Verständnis der Prinzipien des Gewebewachstums und ihrer Anwendung auf die Herstellung funktioneller Gewebeersatzstoffe für den klinischen Gebrauch“. In einer detaillierteren Beschreibung heißt es: "Die Grundannahme des Tissue Engineering ist, dass die Verwendung natürlicher biologischer Systeme einen größeren Erfolg bei der Entwicklung von therapeutischen Verfahren ermöglicht, die darauf abzielen, die Funktion von Gewebe zu ersetzen, zu reparieren, aufrechtzuerhalten und / oder zu erweitern."

Zellen können aus flüssigen Geweben wie Blut auf verschiedene Weise erhalten werden, typischerweise durch Zentrifugation. Es ist schwieriger, Zellen aus festen Geweben zu extrahieren. Typischerweise wird das Gewebe zerkleinert und dann mit Trypsin- oder Collagenase-Enzymen verdaut, um die extrazelluläre Matrix zu entfernen, die die Zellen enthält. Danach lässt man die Zellen frei schweben und entfernt sie wie aus flüssigem Gewebe. Die Reaktionsgeschwindigkeit mit Trypsin ist stark temperaturabhängig, und hohe Temperaturen verursachen große Zellschäden. Kollagenase erfordert niedrige Temperaturen und daher weniger Zellverlust, aber die Reaktion dauert länger und Kollagenase selbst ist ein teures Reagenz. Zellen werden oft in künstliche Strukturen implantiert, die in der Lage sind, die Bildung von dreidimensionalem Gewebe zu unterstützen. Diese Strukturen werden Gerüste genannt.

Um das Ziel der Geweberekonstruktion zu erreichen, müssen Gerüste einige spezifische Anforderungen erfüllen. Hohe Porosität und definierte Porengröße, die für die Förderung der Zellaussaat und -diffusion durch die Struktur, sowohl Zellen als auch Nährstoffe, unerlässlich sind. Die biologische Abbaubarkeit ist oft ein wichtiger Faktor, da Scaffolds in das umgebende Gewebe absorbiert werden, ohne dass eine chirurgische Entfernung erforderlich ist. Die Geschwindigkeit, mit der der Abbau erfolgt, sollte so genau wie möglich mit der Geschwindigkeit der Gewebebildung übereinstimmen: Das bedeutet, dass die hergestellten Zellen zwar ihre eigene natürliche Matrixstruktur um sich herum bilden, aber bereits in der Lage sind, die strukturelle Integrität im Körper aufrechtzuerhalten, und schließlich Schließlich wird das Gerüst gebrochen und es bleibt ein neu gebildetes Gewebe zurück, das die mechanische Belastung übernimmt.

Eine Vielzahl von Gerüstmaterialien (natürliche und synthetische, biologisch abbaubare und dauerhafte) wurden untersucht. Die meisten dieser Materialien waren in der Medizin bereits vor dem Forschungsthema Tissue Engineering bekannt und wurden beispielsweise bereits in der Nahtchirurgie eingesetzt. Um Scaffoldings mit idealen Eigenschaften (Biokompatibilität, Nicht-Immunogenität, Transparenz etc.) zu entwickeln, wurden dafür neue Materialien entworfen.

Gerüste können auch aus natürlichen Materialien gebaut werden: Insbesondere wurden verschiedene extrazelluläre Matrixderivate und ihre Fähigkeit, das Zellwachstum zu unterstützen, untersucht. Proteinmaterialien wie Kollagen oder Fibrin und Polysaccharide wie Chitosan oder Glykosaminoglykan (GAG) sind hinsichtlich der Verträglichkeit geeignet, jedoch sind noch einige Fragen offen. Funktionelle Gruppen von Gerüsten können bei der Abgabe kleiner Moleküle (Medikamente) an bestimmte Gewebe nützlich sein.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren sind ausgedehnte zylindrische Strukturen mit einem Durchmesser von einem bis zu mehreren zehn Nanometern und einer Länge von bis zu mehreren Zentimetern, die aus einer oder mehreren hexagonalen Graphitebenen bestehen, die zu einer Röhre gerollt sind und in der Regel in einem halbkugelförmigen Kopf enden, der als angesehen werden kann ein halbes Fullerenmolekül.

Fulleren (C60) wurde bekanntlich 1985 von der Gruppe um Smalley, Kroto und Curl entdeckt, wofür diese Forscher 1996 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden. Wie bei Kohlenstoffnanoröhren kann das genaue Datum ihrer Entdeckung hier nicht angegeben werden. Obwohl allgemein bekannt ist, dass Iijima 1991 die Struktur mehrwandiger Nanoröhren beobachtete, gibt es frühere Beweise für die Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhren. So zum Beispiel 1974 - 1975. Endo et al., veröffentlichten eine Reihe von Artikeln, die dünne Röhren mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm beschreiben, die durch das Dampfkondensationsverfahren hergestellt wurden, aber eine detailliertere Untersuchung der Struktur wurde nicht durchgeführt.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts für Katalyse der sibirischen Abteilung der Akademie der Wissenschaften der UdSSR registrierte 1977 bei der Untersuchung der Karbonisierung von Eisen-Chrom-Dehydrierungskatalysatoren unter einem Mikroskop die Bildung von "hohlen Kohlenstoffdendriten", während ein Mechanismus von Formation wurde vorgeschlagen und die Struktur der Mauern wurde beschrieben. 1992 wurde in Nature ein Artikel veröffentlicht, der besagt, dass Nanoröhren 1953 beobachtet wurden. Ein Jahr zuvor, 1952, berichteten die sowjetischen Wissenschaftler Radushkevich und Lukyanovich in einem Artikel über die elektronenmikroskopische Beobachtung von Fasern mit einem Durchmesser von etwa 100 nm, die durch Thermik erhalten wurden Zersetzung des Oxidkohlenstoffs an einem Eisenkatalysator. Auch diese Studien wurden nicht weitergeführt.

Es gibt viele theoretische Arbeiten zur Vorhersage dieser allotropen Form von Kohlenstoff. In der Arbeit spekulierte der Chemiker Jones (Dedalus) über gewickelte Graphitrohre. In der Arbeit von L. A. Chernozatonsky und anderen, die im selben Jahr wie die Arbeit von Iijima veröffentlicht wurden, wurden Kohlenstoffnanoröhren erhalten und beschrieben, und M. Yu. Kornilov sagte 1986 nicht nur die Existenz einwandiger Kohlenstoffnanoröhren voraus, sondern schlug sie auch vor ihre große Elastizität.

Struktur von Nanoröhren

Ein ideales Nanoröhrchen ist eine zu einem Zylinder gerollte Graphitfläche, d. h. eine Oberfläche, die mit regelmäßigen Sechsecken ausgekleidet ist, an deren Spitzen sich Kohlenstoffatome befinden. Das Ergebnis eines solchen Vorgangs hängt vom Orientierungswinkel der Graphitebene in Bezug auf die Nanoröhrchenachse ab. Der Orientierungswinkel wiederum bestimmt die Chiralität der Nanoröhre, die insbesondere ihre elektrischen Eigenschaften bestimmt.

Abb.1. Falten einer Graphitebene zum Erhalt einer (n, m)‐Nanoröhre

Um eine Nanoröhre mit Chiralität (n, m) zu erhalten, muss die Graphitebene entlang der Richtungen der gestrichelten Linien geschnitten und entlang der Richtung des Vektors R gerollt werden

Ein geordnetes Paar (n, m), das die Koordinaten des Sechsecks angibt, das infolge der Faltung der Ebene mit dem im Koordinatenursprung befindlichen Sechseck zusammenfallen muss, wird als Chiralität der Nanoröhre bezeichnet und bezeichnet. Eine andere Möglichkeit, Chiralität zu bezeichnen, besteht darin, den Winkel α zwischen der Faltungsrichtung der Nanoröhre und der Richtung anzugeben, in der benachbarte Sechsecke eine gemeinsame Seite haben. Allerdings ist es in diesem Fall für eine vollständige Beschreibung der Nanoröhrengeometrie notwendig, deren Durchmesser anzugeben. Die Chiralitätsindizes einer einschichtigen Nanoröhre (m, n) bestimmen eindeutig ihren Durchmesser D. Diese Beziehung hat folgende Form:

wobei d 0 = 0,142 nm der Abstand zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen in der Graphitebene ist.

Die Beziehung zwischen den Chiralitätsindizes (m, n) und dem Winkel α ist gegeben durch:

Unter den verschiedenen möglichen Faltungsrichtungen von Nanoröhren werden diejenigen unterschieden, bei denen die Ausrichtung des (n, m)-Sechsecks zum Ursprung keine Verzerrung seiner Struktur erfordert. Diese Richtungen entsprechen insbesondere den Winkeln α = 0 (Sesselkonfiguration) und α = 30° (Zickzackkonfiguration). Diese Konfigurationen entsprechen den Chiralitäten (n, 0) bzw. (2m, m).

Einwandige Nanoröhren

Die experimentell beobachtete Struktur einwandiger Nanoröhren weicht in vielerlei Hinsicht von dem oben dargestellten idealisierten Bild ab. Dies betrifft zunächst die Ecken der Nanoröhre, deren Form, wie aus Beobachtungen hervorgeht, weit von einer idealen Halbkugel entfernt ist. Eine Sonderstellung unter den einwandigen Nanoröhren nehmen die sogenannten Sessel-Nanoröhren oder Nanoröhren mit Chiralität ein [10, 10]. In solchen Nanoröhren sind zwei der C-C-Bindungen, aus denen jeder Sechsring besteht, parallel zur Längsachse der Röhre orientiert. Nanoröhren mit einer solchen Struktur sollten eine rein metallische Struktur haben.

Mehrwandige Nanoröhren

Mehrwandige Nanoröhren unterscheiden sich von einwandigen Nanoröhren in einer viel größeren Vielfalt von Formen und Konfigurationen. Die Vielfalt der Strukturen manifestiert sich sowohl in Längs- als auch in Querrichtung. Die Struktur vom Typ „russische Puppen“ ist ein Satz koaxial ineinander verschachtelter zylindrischer Röhren. Ein anderer Typ dieser Struktur ist ein Satz verschachtelter koaxialer Prismen. Schließlich ähnelt die letzte dieser Strukturen einer Schriftrolle (Schriftrolle). Alle Strukturen sind durch den Wert des Abstands zwischen benachbarten Graphitschichten gekennzeichnet, der nahe dem Wert von 0,34 nm liegt, der dem Abstand zwischen benachbarten Ebenen aus kristallinem Graphit innewohnt.

Die Umsetzung der einen oder anderen Struktur mehrwandiger Nanoröhren in einer bestimmten experimentellen Situation hängt von den Synthesebedingungen ab. Eine Analyse der verfügbaren experimentellen Daten zeigt, dass die typischste Struktur mehrwandiger Nanoröhren eine Struktur ist, bei der Abschnitte vom Typ „russische Nistpuppen“ und „Pappmaché“ abwechselnd entlang der Länge angeordnet sind. In diesem Fall werden die "Röhren" kleinerer Größe nacheinander in die größeren Röhren verschachtelt.

Erhalt von Kohlenstoffnanoröhren

Die Entwicklung von Verfahren zur Synthese von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) ging den Weg, die Synthesetemperaturen zu senken. Nach der Schaffung der Technologie zur Herstellung von Fullerenen wurde festgestellt, dass während der Lichtbogenverdampfung von Graphitelektroden zusammen mit der Bildung von Fullerenen ausgedehnte zylindrische Strukturen gebildet werden. Der Mikroskopiker Sumio Iijima identifizierte diese Strukturen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) als erster als Nanoröhren. Zu den Hochtemperaturverfahren zur Herstellung von CNTs gehört das Lichtbogenverfahren. Wird ein Graphitstab (Anode) im Lichtbogen verdampft, so bildet sich auf der Gegenelektrode (Kathode) ein harter Kohlenstoffauftrag (Ablagerung), in dessen weichem Kern mehrwandige CNTs mit einem Durchmesser von 15– 20 nm und einer Länge von mehr als 1 µm. Die Bildung von CNTs aus Fullerenruß unter thermischer Hochtemperatureinwirkung auf Ruß wurde erstmals von der Gruppe aus Oxford und der Schweiz beobachtet. Die Anlage zur Lichtbogensynthese ist metallintensiv, energieaufwändig, aber universell für die Gewinnung verschiedener Arten von Kohlenstoff-Nanomaterialien. In diesem Fall ist ein wesentliches Problem das Ungleichgewicht des Prozesses während des Lichtbogenbrennens. Das Lichtbogenverfahren ersetzte einst das Verfahren der Laserverdampfung (Ablation) durch einen Laserstrahl. Die Ablationseinheit ist ein herkömmlicher Widerstandsheizofen, der eine Temperatur von 1200°C liefert. Um darin höhere Temperaturen zu erreichen, reicht es aus, ein Kohlenstoff-Target in den Ofen zu stellen und einen Laserstrahl darauf zu richten, wobei abwechselnd die gesamte Oberfläche des Targets abgetastet wird.

So erhielt Smalleys Gruppe 1995 unter Verwendung teurer Ausrüstung mit einem Kurzpulslaser Nanoröhren, wodurch die Technologie ihrer Synthese "signifikant vereinfacht" wurde. Die Ausbeute an CNTs blieb jedoch gering. Durch die Einführung kleiner Zusätze von Nickel und Kobalt in Graphit konnte die Ausbeute an CNTs auf 70–90 % gesteigert werden. Von diesem Moment an begann eine neue Phase im Konzept des Mechanismus der Bildung von Nanoröhren. Es wurde offensichtlich, dass das Metall ein Wachstumskatalysator ist. So erschienen die ersten Arbeiten zur Herstellung von Nanoröhren nach einem Niedertemperaturverfahren - dem Verfahren der katalytischen Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen (CVD), bei dem Partikel eines Metalls der Eisengruppe als Katalysator verwendet wurden. Eine der Optionen für die Anlage zur Herstellung von Nanoröhren und Nanofasern durch das CVD-Verfahren ist ein Reaktor, in den ein inertes Trägergas eingeführt wird, das den Katalysator und den Kohlenwasserstoff in die Hochtemperaturzone trägt. Vereinfacht ist der CNT-Wachstumsmechanismus wie folgt. Der bei der thermischen Zersetzung des Kohlenwasserstoffs entstehende Kohlenstoff löst sich im Metallnanopartikel.

Bei Erreichen einer hohen Kohlenstoffkonzentration im Partikel auf einer der Stirnseiten des Partikelkatalysators erfolgt eine energetisch günstige "Isolation" von überschüssigem Kohlenstoff in Form einer verzerrten Semi-Fulleren-Kappe. So entsteht eine Nanoröhre. Der zersetzte Kohlenstoff dringt weiterhin in das Katalysatorteilchen ein und muss, um den Überschuss seiner Konzentration in der Schmelze freizusetzen, ständig entsorgt werden. Die aufsteigende Halbkugel (Semifulleren) von der Oberfläche der Schmelze trägt den gelösten überschüssigen Kohlenstoff mit sich, dessen Atome außerhalb der Schmelze eine C-C-Bindung bilden, die eine zylindrische Gerüst-Nanoröhre ist. Die Schmelztemperatur eines Partikels im Nanozustand hängt von seinem Radius ab. Je kleiner der Radius, desto niedriger der Schmelzpunkt. Daher befinden sich Eisen-Nanopartikel mit einer Größe von etwa 10 nm unterhalb von 600 °C in einem geschmolzenen Zustand. Derzeit wird die Niedertemperatursynthese von CNTs durch die Methode der katalytischen Pyrolyse von Acetylen in Gegenwart von Fe-Partikeln bei 550 °C durchgeführt. Auch die Absenkung der Synthesetemperatur hat negative Folgen. Bei niedrigeren Temperaturen werden CNTs mit einem großen Durchmesser (ca. 100 nm) und einer stark defekten „Bambus“-Struktur oder verschachtelten Nanokegeln erhalten. Die resultierenden Materialien bestehen nur aus Kohlenstoff, kommen aber nicht einmal annähernd an die außergewöhnlichen Eigenschaften (z. B. Elastizitätsmodul) heran, die bei einwandigen Kohlenstoffnanoröhren beobachtet werden, die durch Laserablation oder Lichtbogensynthese erhalten werden.

1. Einleitung

1.1 Hintergrund

1.2 Zellextraktion

2. Gerüste

2.1 Gerüstmaterialien

2.2 Kohlenstoffnanoröhren

2.2.1 Entdeckungshistorie

2.2.2 Nanoröhrenstruktur

2.2.3 Einwandige Nanoröhren

2.2.4 Mehrwandige Nanoröhren

2.2.5 Gewinnung von Kohlenstoffnanoröhren

3. Referenzen

1. Einleitung

Stoffe benötigen bestimmte mechanische und strukturelle Eigenschaften, um richtig zu funktionieren. Der Begriff "Tissue Engineering" bezieht sich auch auf die Korrektur der Leistung spezifischer biochemischer Funktionen unter Verwendung von Zellen in einem künstlich geschaffenen Trägersystem (z. B. einer künstlichen Bauchspeicheldrüse oder einer künstlichen Leber). Der Begriff „regenerative Medizin“ wird oft als Synonym für Tissue Engineering verwendet, obwohl in der regenerativen Medizin mehr Wert auf die Verwendung von Stammzellen zur Herstellung von Geweben gelegt wird.

Zell-Nanoröhren-Gewebezüchtung

1.1 Vorabinformationen

1.2 Bergbau Zellen

Zellen können aus flüssigen Geweben wie Blut auf verschiedene Weise gewonnen werden, üblicherweise durch Zentrifugation?. Es ist schwieriger, Zellen aus festen Geweben zu extrahieren. Typischerweise wird das Gewebe zerkleinert und dann mit Trypsin- oder Collagenase-Enzymen verdaut, um die extrazelluläre Matrix zu entfernen, die die Zellen enthält. Danach lässt man die Zellen frei schweben und entfernt sie wie aus flüssigem Gewebe. Die Reaktionsgeschwindigkeit mit Trypsin ist stark temperaturabhängig, und hohe Temperaturen verursachen große Zellschäden. Kollagenase erfordert niedrige Temperaturen und daher weniger Zellverlust, aber die Reaktion dauert länger und Kollagenase selbst ist ein teures Reagenz.

2. Gerüste

Zellen werden oft in künstliche Strukturen implantiert, die in der Lage sind, die Bildung von dreidimensionalem Gewebe zu unterstützen. Diese Strukturen werden Gerüste genannt.

2.1 Material für Gerüste

Um Scaffoldings mit idealen Eigenschaften (Biokompatibilität, Nicht-Immunogenität, Transparenz etc.) zu entwickeln, wurden dafür neue Materialien entworfen.

2.2 Kohlenstoff-Nanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren sind ausgedehnte zylindrische Strukturen mit einem Durchmesser von einem bis mehreren zehn Nanometern und einer Länge von bis zu mehreren Zentimetern, die aus einer oder mehreren hexagonalen Graphitebenen bestehen, die zu einer Röhre gerollt sind und in der Regel in einem halbkugelförmigen Kopf enden, der als angesehen werden kann ein halbes Fullerenmolekül.

2.2.1 Entdeckungshistorie

Fullerene (C 60) wurde 1985 von der Gruppe um Smalley, Kroto und Curl entdeckt, wofür diese Forscher 1996 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Wie bei Kohlenstoffnanoröhren kann das genaue Datum ihrer Entdeckung hier nicht angegeben werden. Obwohl allgemein bekannt ist, dass Iijima 1991 die Struktur mehrwandiger Nanoröhren beobachtete, gibt es frühere Beweise für die Entdeckung von Kohlenstoff-Nanoröhren. So zum Beispiel 1974 - 1975. Endo et al., veröffentlichten eine Reihe von Artikeln, die dünne Röhren mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm beschreiben, die durch das Dampfkondensationsverfahren hergestellt wurden, aber eine detailliertere Untersuchung der Struktur wurde nicht durchgeführt. Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts für Katalyse der sibirischen Abteilung der Akademie der Wissenschaften der UdSSR registrierte 1977 bei der Untersuchung der Karbonisierung von Eisen-Chrom-Dehydrierungskatalysatoren unter einem Mikroskop die Bildung von "hohlen Kohlenstoffdendriten", während ein Mechanismus von Formation wurde vorgeschlagen und die Struktur der Mauern wurde beschrieben. 1992 wurde in Nature ein Artikel veröffentlicht, der besagt, dass Nanoröhren 1953 beobachtet wurden. Ein Jahr zuvor, 1952, berichteten die sowjetischen Wissenschaftler Radushkevich und Lukyanovich in einem Artikel über die elektronenmikroskopische Beobachtung von Fasern mit einem Durchmesser von etwa 100 nm, die durch Thermik erhalten wurden Zersetzung des Oxidkohlenstoffs an einem Eisenkatalysator. Auch diese Studien wurden nicht weitergeführt.

2.2.2 Nanoröhrenstruktur

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Wiederum legt die Chiralität der Nanoröhre fest, die insbesondere ihre elektrischen Eigenschaften bestimmt.

Eine andere Möglichkeit, Chiralität zu bezeichnen, besteht darin, den Winkel 6 zwischen der Faltungsrichtung der Nanoröhre und der Richtung anzugeben, in der benachbarte Sechsecke eine gemeinsame Seite haben. Allerdings ist es in diesem Fall für eine vollständige Beschreibung der Nanoröhrengeometrie notwendig, deren Durchmesser anzugeben. Die Chiralitätsindizes einer einschichtigen Nanoröhre (m, n) bestimmen eindeutig ihren Durchmesser D. Diese Beziehung hat folgende Form:

wobei d 0 = 0,142 nm der Abstand zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen in der Graphitebene ist.

Die Beziehung zwischen den Chiralitätsindizes (m, n) und dem Winkel b ist durch die Relation gegeben

Unter den verschiedenen möglichen Faltungsrichtungen von Nanoröhren werden diejenigen unterschieden, bei denen die Ausrichtung des (n, m)-Sechsecks zum Ursprung keine Verzerrung seiner Struktur erfordert. Diese Richtungen entsprechen insbesondere den Winkeln b = 0 (Sesselkonfiguration) und b = 30° (Zickzackkonfiguration). Diese Konfigurationen entsprechen den Chiralitäten (n, 0) bzw. (2m, m).

2.2.3 Einwandige Nanoröhren

Struktur experimentell beobachteten einwandigen Nanoröhren weicht in vielerlei Hinsicht von dem oben dargestellten idealisierten Bild ab. Dies betrifft zunächst die Ecken der Nanoröhre, deren Form, wie aus Beobachtungen hervorgeht, weit von einer idealen Halbkugel entfernt ist.

Eine Sonderstellung unter den einwandigen Nanoröhren nehmen die sogenannten Sessel-Nanoröhren oder Nanoröhren mit Chiralität ein [10, 10]. In Nanoröhren dieser Art sind zwei der C-C-Bindungen, die jeden sechsgliedrigen Ring bilden, parallel zur Längsachse der Röhre orientiert. Nanoröhren mit einer solchen Struktur sollten eine rein metallische Struktur haben.

2.2.4 Mehrwandige Nanoröhren

Mehrwandig(mehrwandige) Nanoröhren unterscheiden sich von einwandigen durch eine viel größere Vielfalt an Formen und Konfigurationen. Die Vielfalt der Strukturen manifestiert sich sowohl in Längs- als auch in Querrichtung.

Die Struktur vom Typ „russische Puppen“ ist ein Satz koaxial ineinander verschachtelter zylindrischer Röhren. Ein anderer Typ dieser Struktur ist ein Satz verschachtelter koaxialer Prismen. Schließlich ähnelt die letzte dieser Strukturen einer Schriftrolle (Schriftrolle). Alle Strukturen sind durch den Wert des Abstands zwischen benachbarten Graphitschichten gekennzeichnet, der nahe dem Wert von 0,34 nm liegt, der dem Abstand zwischen benachbarten Ebenen aus kristallinem Graphit innewohnt.

2.2.5 Gewinnung von Kohlenstoffnanoröhren

Entwicklung Verfahren zur Synthese von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) gingen den Weg, die Synthesetemperaturen zu senken. Nach der Schaffung der Technologie zur Herstellung von Fullerenen wurde festgestellt, dass während der Lichtbogenverdampfung von Graphitelektroden zusammen mit der Bildung von Fullerenen ausgedehnte zylindrische Strukturen gebildet werden. Der Mikroskopiker Sumio Iijima identifizierte diese Strukturen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) als erster als Nanoröhren. Zu den Hochtemperaturverfahren zur Herstellung von CNTs gehört das Lichtbogenverfahren. Wird ein Graphitstab (Anode) im Lichtbogen verdampft, so bildet sich auf der Gegenelektrode (Kathode) ein harter Kohlenstoffauftrag (Ablagerung), in dessen weichem Kern mehrwandige CNTs mit einem Durchmesser von 15– 20 nm und einer Länge von mehr als 1 µm. Die Bildung von CNTs aus Fullerenruß unter thermischer Hochtemperatureinwirkung auf Ruß wurde erstmals von der Gruppe aus Oxford und der Schweiz beobachtet. Die Anlage zur Lichtbogensynthese ist metallintensiv, energieaufwändig, aber universell für die Gewinnung verschiedener Arten von Kohlenstoff-Nanomaterialien. In diesem Fall ist ein wesentliches Problem das Ungleichgewicht des Prozesses während des Lichtbogenbrennens. Das Lichtbogenverfahren ersetzte einst das Verfahren der Laserverdampfung (Ablation) durch einen Laserstrahl. Die Ablationseinheit ist ein herkömmlicher Widerstandsheizofen, der eine Temperatur von 1200°C liefert. Um darin höhere Temperaturen zu erreichen, reicht es aus, ein Kohlenstoff-Target in den Ofen zu stellen und einen Laserstrahl darauf zu richten, wobei abwechselnd die gesamte Oberfläche des Targets abgetastet wird.

Das. Smalleys Gruppe erhielt 1995 unter Verwendung teurer Ausrüstung mit einem Kurzpulslaser Nanoröhren, wodurch die Technologie ihrer Synthese "erheblich vereinfacht" wurde. Die Ausbeute an CNTs blieb jedoch gering. Durch die Einführung kleiner Zusätze von Nickel und Kobalt in Graphit konnte die Ausbeute an CNTs auf 70–90 % gesteigert werden. Von diesem Moment an begann eine neue Phase im Konzept des Mechanismus der Bildung von Nanoröhren. Es wurde offensichtlich, dass das Metall ein Wachstumskatalysator ist. So erschienen die ersten Arbeiten zur Herstellung von Nanoröhren nach einem Niedertemperaturverfahren - dem Verfahren der katalytischen Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen (CVD), bei dem Partikel eines Metalls der Eisengruppe als Katalysator verwendet wurden. Eine der Optionen für die Anlage zur Herstellung von Nanoröhren und Nanofasern durch das CVD-Verfahren ist ein Reaktor, in den ein inertes Trägergas eingeführt wird, das den Katalysator und den Kohlenwasserstoff in die Hochtemperaturzone trägt. Vereinfacht ist der CNT-Wachstumsmechanismus wie folgt. Der bei der thermischen Zersetzung des Kohlenwasserstoffs entstehende Kohlenstoff löst sich im Metallnanopartikel.

Bei Erreichen einer hohen Kohlenstoffkonzentration im Partikel auf einer der Stirnseiten des Partikelkatalysators erfolgt eine energetisch günstige "Isolation" von überschüssigem Kohlenstoff in Form einer verzerrten Semi-Fulleren-Kappe. So entsteht eine Nanoröhre. Der zersetzte Kohlenstoff dringt weiterhin in das Katalysatorteilchen ein und muss, um den Überschuss seiner Konzentration in der Schmelze freizusetzen, ständig entsorgt werden. Die aus der Oberfläche der Schmelze aufsteigende Halbkugel (Semi-Fulleren) trägt den gelösten überschüssigen Kohlenstoff mit sich, dessen Atome außerhalb der Schmelze eine C-C-Bindung bilden, die eine zylindrische Rahmen-Nanoröhre darstellt. Die Schmelztemperatur eines Partikels im Nanozustand hängt von seinem Radius ab. Je kleiner der Radius, desto niedriger der Schmelzpunkt. Daher befinden sich Eisen-Nanopartikel mit einer Größe von etwa 10 nm unterhalb von 600 °C in einem geschmolzenen Zustand. Derzeit wird die Niedertemperatursynthese von CNTs durch die Methode der katalytischen Pyrolyse von Acetylen in Gegenwart von Fe-Partikeln bei 550 °C durchgeführt. Auch die Absenkung der Synthesetemperatur hat negative Folgen. Bei niedrigeren Temperaturen werden CNTs mit einem großen Durchmesser (ca. 100 nm) und einer stark defekten „Bambus“-Struktur oder verschachtelten Nanokegeln erhalten. Die resultierenden Materialien bestehen nur aus Kohlenstoff, kommen aber nicht einmal annähernd an die außergewöhnlichen Eigenschaften (z. B. Elastizitätsmodul) heran, die bei einwandigen Kohlenstoffnanoröhren beobachtet werden, die durch Laserablation oder Lichtbogensynthese erhalten werden.

3. Referenzliste

Langer, Vacanti JP (Mai 1993). "Gewebetechnik". Nauka 260 (5110): 920 6. DOI: 10.1126/science.8493529. PMID 8493529.

B MacArthur BD, Oreffo RO (Januar 2005). "Schließung der Lücke". Natur 433 (7021): 19. DOI: 10.1038/433019a. PMID 15635390.

Stoffbasis

Die Wahl des Trägers für die Entwicklung von künstlichem Gewebe ist eines der schwerwiegendsten Probleme im Tissue Engineering. Sein Material muss sowohl für die darauf lebenden Zellen als auch für den gesamten Körper sicher sein, in den das bioartifizielle Gewebe dann transplantiert wird. Im Idealfall wird das Material im Laufe der Zeit vollständig durch Körpergewebe ersetzt. Gleichzeitig muss es eine einzigartige dreidimensionale Organisation aufweisen, die für diesen Gewebetyp charakteristisch ist und die Struktur der extrazellulären Matrix von lebendem Gewebe reproduzieren würde. Um beispielsweise röhrenförmige Hohlorgane nachzubilden, werden Teile ähnlicher Organe (Darm, Luftröhre, Harnleiter und Blase) ohne lebensfähige Zellen verwendet, die von großen Tieren stammen. Aber auch andere, unterschiedlichste und manchmal ganz unerwartete Materialien können als solche Träger verwendet werden.

Der einfachste Weg (wenn man hier natürlich von Einfachheit sprechen darf) war die Herstellung von bioartifiziellen Knochen. Als Zellquellen für zukünftige Knochen dienen Knochenmarksstromastammzellen, die sich zu Zellen verschiedener Gewebe entwickeln können, sowie osteogene (zur Bildung von Knochengewebe befähigte) Zellen unterschiedlichen Ursprungs. Ein echtes Feld für Fantasie bietet sich bei der Auswahl einer Trage für sie. Kollagen verschiedener Arten, glaskeramische Materialien, sogar Korallen werden verwendet. Eine gute Grundlage sind die leblosen (Kadaver-) Knochen von Menschen und Tieren sowie komplexe synthetische Strukturen, die sich im Körper über einen gewissen Zeitraum auflösen. Im letzteren Fall besteht das Hauptproblem in der Synchronisation des Prozesses der Osteogenese, dh der Bildung von Knochengewebe im Bereich seines Mangels und der Auflösung der eingeführten künstlichen Struktur. Bis heute wurden weltweit mehrere tausend chirurgische Eingriffe unter Verwendung von durch Gewebezüchtung hergestellten Knochengewebeäquivalenten durchgeführt.

Die Zell- und Geweberekonstruktion von Gelenkknorpel ist auf dem Markt für medizinische Dienstleistungen sehr gefragt. Knorpel ist ein spezielles Gewebe, das sich unter natürlichen Bedingungen nicht regeneriert. Nach einigen Expertenschätzungen könnte der Markt für diese Produkte allein in den USA Hunderte von Millionen Dollar pro Jahr betragen.

Gewebeingenieure haben die Haut, das größte Organ des menschlichen Körpers, nicht außer Acht gelassen. Die Gesamtfläche der Haut eines erwachsenen Mannes erreicht 2,5 m 2 mit einem Gewicht von 1520 kg (einschließlich Unterhautgewebe). Die Haut ist sehr komplex und erfüllt eine Reihe von lebenswichtigen Funktionen, weshalb neben lokalen Störungen auch allgemeine pathologische Manifestationen zu beobachten sind, die mit ihren umfangreichen Schäden manchmal das Leben des Patienten gefährden. Bei schweren Verbrennungen und langfristig nicht heilenden Geschwüren ist die Haut nicht in der Lage, ihre Integrität selbst wiederherzustellen. Spezialisten kommen zu Hilfe, die bereits nicht nur Laborprototypen, sondern auch kommerzielle Muster von bioartifizieller Haut haben. Bis heute haben bereits Tausende von Menschen auf der ganzen Welt die Dienste von Unternehmen in Anspruch genommen, die ähnliche Gewebezubereitungen auf dem Markt für medizinische Dienstleistungen anbieten.

Aber die fantastischsten Ergebnisse wurden von Tissue-Ingenieuren in der Kinderpraxis erzielt. Ein wachsender Organismus stellt besondere Anforderungen an die Herstellung von Tissue-Engineering-Strukturen, da diese mit dem Körper des Kindes mitwachsen müssen. So haben deutsche Wissenschaftler kürzlich eine aus Gewebe hergestellte Herzklappe entwickelt. Als Grundlage für die Zellen der Gefäßwand (Endothel) diente die Herzklappe eines erwachsenen Schweins. Und die Nabelschnurblutzellen des Kindes wurden zur Quelle des Zellmaterials. Übrigens wurde Nabelschnurblut bis vor kurzem während der Geburt zusammen mit der Plazenta entsorgt, aber jetzt deuten immer mehr Hinweise darauf hin, dass die Aufbewahrung dieser Zellen in Hämabanken in bestimmten Fällen eine Chance bieten kann, das Leben einer Person zu retten.

künstlicher Kiefer
Vor nicht allzu langer Zeit berichtete eine Gruppe deutscher Spezialisten aus der Stadt Kiel unter der Leitung von Patrick Warnke von der erfolgreichen Rekonstruktion des Unterkiefers, der aufgrund einer Tumorläsion fast vollständig entfernt wurde. Zunächst mussten die Ärzte ein Titan-Kiefergerüst herstellen, das mit Knochenmatrix, dem Knochenmark des Patienten und Knochenwachstumsfaktoren gefüllt war. Ein so großes Fragment konnte jedoch nicht sofort im Schadensbereich platziert werden, da Knochenmarkszellen, einschließlich Stammzellen, die ihres eigenen Gefäßnetzes beraubt waren, sich nicht nur nicht zu Osteoblasten (Zellen, die Knochengewebe produzieren) differenzieren würden, würde aber auch an Sauerstoffmangel und Nährstoffmangel sterben. Daher wurde das resultierende Design in die Rückenmuskulatur eingeführt. Dies geschah, damit in der Dicke der intensiv durchbluteten Muskulatur die Gefäße selbst in die Dicke der „biologischen Prothese“ hineinwachsen. In diesem Fall wurde die Struktur entfernt und an die richtige Stelle verpflanzt, nachdem zuvor die Gefäße des Unterkiefers und die Bioprothese mikrochirurgisch verbunden worden waren.

Von Jahr zu Jahr werden mehr solcher oder ähnlicher Operationen durchgeführt. Sie ermöglichen nicht nur die Wiederherstellung der Funktion des verlorenen Organs, sondern auch einen ästhetischen kosmetischen Effekt.

Gefäßgewebe!

Einer der Faktoren, der die Vorstellungskraft von Gewebeingenieuren einschränkt, ist die Unmöglichkeit, relativ große Strukturen zu schaffen, da eine ausreichende Blutversorgung und Innervation (Verbindung mit dem Zentralnervensystem) fehlt. Tissue-Engineering-Strukturen, die aus der künstlichen Umgebung entfernt werden, sind aufgrund der Tatsache, dass sie keine Blutgefäße haben und im Körper des Patienten nicht ausreichend mit Nährstoffen versorgt werden, vom Absterben bedroht. Teilweise kann dieses Problem durch vorgefertigte temporäre Platzierung einer im Labor hergestellten Tissue-Engineering-Struktur unter der Haut oder zwischen den Muskeln gelöst werden. Nach einiger Zeit, wenn die Gefäße durch das gesamte Volumen des Transplantats wachsen, wird es unter Erhaltung der Gefäße isoliert und in den Schadensbereich übertragen. Dieser Ansatz ist jedoch mit einem zusätzlichen chirurgischen Trauma für den Patienten verbunden, daher haben Gewebeingenieure eine geniale Lösung gefunden: bioartifizielles Gewebe, bioartifizielle Gefäße! Die ersten Arbeiten wurden mit polymeren Mikrotubuli durchgeführt, die von innen mit Endothel ausgekleidet waren. Solche Röhren durchdringen die gesamte Dicke des im Labor erzeugten Gewebes. Allmählich löst sich das Polymer auf und stört den Austausch von Gasen und Nährstoffen zwischen Blut und Zellen nicht.

Heutzutage schränkt fast nichts die Fähigkeiten von Tissue-Ingenieuren ein. Es wurden nicht nur Laborprototypen erstellt, sondern auch durch Gewebezüchtung hergestellte Äquivalente von Brustdrüsenbrustwarzen, bioartifiziellen Blasen und Harnleitern wurden in der klinischen Praxis eingesetzt. Methodische Ansätze zur Erstellung von Lungen-, Leber-, Luftröhren-, Darmabschnitten und sogar Schwellkörpern des Penis werden festgelegt.

Der Bau parenchymaler Organe der Leber, der Lunge und anderer ist besonders schwierig, da alle Zellen in ihnen in einer empfindlichen Beziehung stehen und streng ihren richtigen Platz im dreidimensionalen Raum einnehmen müssen. Unerwartete positive Ergebnisse traten hier auf, wenn die Zellen in Suspension ohne Anhaftung an die Oberfläche gezüchtet wurden. Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Colin McGuckin von der University of Newcastle, Großbritannien, verwendete einen rotierenden Bioreaktor, der vor 10 Jahren speziell für die Internationale Raumstation entwickelt wurde. Damit können Sie die Bedingungen der Schwerelosigkeit und Mikrogravitation auf der Erde simulieren. Es stellte sich heraus, dass bei der Kultivierung von Stammzellen aus Nabelschnurblut nicht nur deren Umwandlung in funktionell aktive Leberzellen, sondern auch die Organogenese, die Bildung eines Analogons des Lebergewebes mit seinen inhärenten Funktionen, erreicht werden kann.

Nicht minder überraschende Ergebnisse lieferten Experimente zur Sättigung von Zellkulturen mit Metall-Nanopartikeln mittels Liposomen, die die Zellmembran frei durchdringen. Das Vorhandensein solcher Strukturen innerhalb der Zelle hat praktisch keinen Einfluss auf sie. Wissenschaftler erhalten jedoch die Möglichkeit, das Wachstum von Zellen zu steuern, indem sie mit Magnetfeldern unterschiedlicher Richtung auf sie einwirken. Auf diese Weise konnten nicht nur Analoga der Strukturen der Leber, sondern auch so komplexe Strukturen wie Elemente der Netzhaut hergestellt werden. Die Entwicklung des Tissue-Engineering-Auges befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium, aber es ist bereits gelungen, Äquivalente seiner Einzelteile - Hornhaut, Lederhaut und Iris - zu erhalten. Das Problem der Integration der erhaltenen Teile ist zwar noch nicht gelöst. Dennoch findet man in der wissenschaftlichen Literatur Informationen über die Transplantation von lichtempfindlichen Zellen Stäbchen und Zapfen in das „Allerheiligste“ des Auges, die Netzhaut, allerdings bislang nur unter experimentellen Bedingungen.

Vielleicht müssen Gewebeingenieure nur lernen, wie man komplexe Abkömmlinge von Nervenanlagen im Labor nachbaut, um sich endlich allmächtig zu fühlen.

In führenden westlichen und inländischen Labors versuchen Spezialisten, die Entwicklung eines anderen extrem schwierig zu restaurierenden Organs zu reproduzieren - des Zahns. Schwierigkeiten bei seiner Entstehung werden durch die Tatsache verursacht, dass sich die Bestandteile des Zahns aus verschiedenen Quellen entwickeln: teilweise aus den Derivaten des Nervensystems - der Neuralleiste, und teilweise aus der Epithelauskleidung der Mundhöhle. Lange Zeit war es nicht möglich, diese Quellen in vitro zu kombinieren. Bisher wurden nur die frühen Stadien der Zahnentwicklung teilweise unter künstlichen Bedingungen reproduziert. Auf die Hilfe des Körpers kann man in der Regel nicht verzichten, und nach der Laborarbeit muss der Prototyp des zukünftigen Zahns noch in seine natürliche Umgebung – die Alveole des Kiefers (Zahnfach) – eingepflanzt werden vollständige "Reifung" der Tissue-Engineering-Struktur.

Als Ergebnis können wir sagen, dass die letzten zwanzig Jahre von der Entstehung eines neuen Zweigs der Biologie und Medizin geprägt waren – dem Tissue Engineering. Spezialisten, die in diesem Bereich arbeiten, haben wirklich einzigartige Qualitäten. Sie müssen gleichermaßen Ärzte und Biologen sein und auch über die Fähigkeiten eines Chirurgen verfügen. Diese werden jetzt nirgendwo vorbereitet, zumindest nicht in unserem Land. Tissue Engineers sind in der Regel Enthusiasten, die sich zum Ziel gesetzt haben, ein Märchen aus der Kindheit Wirklichkeit werden zu lassen. Bisher ist das universelle menschliche Problem, mit dem sie es zu tun haben, noch lange nicht gelöst. Jedes Jahr sterben Hunderttausende Menschen auf der ganzen Welt an chronischen Krankheiten, ohne auf eine lebensrettende Transplantation eines Spenderorgans zu warten. Heute gibt es offenbar keine Wissenschaftler, die bestreiten würden, dass Tissue Engineering die Medizin der Zukunft ist, deren Erfolge für die gesamte Menschheit von enormer Bedeutung sind. Aber gleichzeitig ist es schwierig, einen solchen Spezialisten zu finden, der bedingungslos jeden dazu auffordert, sich mit Tissue-Engineering-Methoden behandeln zu lassen, es gibt zu viele Fragen und ungelöste Probleme auf diesem viel versprechenden Wissensgebiet.

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www.gemabank.ru Die Website der Stammzellenbank Gemabank widmet sich der Aufbewahrung und Verwendung von Nabelschnurblut.

organprint.missouri.edu Website einer wissenschaftlichen Gruppe der University of Missouri, USA, die sich künstlichen Organen widmet, die auf einem Spezialdrucker gedruckt werden.