Костные материалы. 
Применение нанотехнологий для создания искусственных костей

Медики и специалисты по протезированию по всему миру сейчас ведут разработки новых материалов, которые могли бы послужить полноценной заменой костной ткани в организме человека. Такие материалы могут прийти на помощь в случае остеопороза или серьезных переломов.

Основная проблема псевдо-костных материалов заключается в том, что организм их не распознает как «родные» костные ткани и не приживается к ним. В итоге, в организме пациента с пересаженными костями могут начаться масштабные процессы отторжения, что в худшем варианте может даже привести к масштабному сбою в иммунной системе и смерти пациента.

Прежде чем проводить операции по трансплантации необходимо провести глубокий химический анализ совместимости всех компонентов, входящих в подобные протезы.

Перед медециной стоит задача создания материала, который как можно лучше будет соответствовать природным костям, максимально близко повторяя их свойства.

Ирландские ученые разработали метод восстановления костной ткани с использованием наночастиц гидроксиапатита. Результаты работы группы исследователей из Ирландского королевского хирургического колледжа (Royal College of Surgeons in Ireland) опубликованы в журнале Advanced Materials.

Кость является соединительной тканью, состоящей из погруженных в твердое основное вещество клеток. Основное вещество примерно на 30 процентов состоит из органических соединений, по преимуществу — коллагеновых волокон. Неорганические соединения, которые на 70 процентов составляют основное вещество, по большей части представлены гидроксиапатитом, также в нем содержатся натрий, калий, магний, хлор, фтор, карбонат и цитрат.

В месте повреждения наночастицы гидроксиапатита в сочетании с коллагеном создают новый слой основного вещества кости. Часть наноразмерных частиц доставляет к поврежденному участку костные морфогенные белки (BMPs), которые относятся к факторам роста. Они способствуют остеогенезу, а также увеличивают дифференциацию молодых клеток кости (остеобластов).

Доказано, что искусственно созданный каркас в сочетании со стимулирующими остеогенез белками способствует росту нового участка костной ткани.

Ряд BMP уже одобрен к использованию в клинической практике. Восстановление костной ткани с использованием таких белков стоит примерно 6−10 тысяч долларов. Использование костных морфогенных факторов в больших дозировках может давать некоторые побочные эффекты, в числе которых повышение риска возникновения рака.

Некоторые ученые считают, что «стимуляция выработки костных морфогенных факторов клетками поможет избежать негативных последствий, и тогда восстановление костной ткани будет эффективным и безопасным.

Разработка заменителей костной ткани знаменует, на мой взгляд, важный этап в развитии человечества. Тысячелетия тому назад открытие того, что огонь может превратить бесформенную глину в керамическую утварь, привело к возникновению земледельческой цивилизации и радикально улучшило качество и продолжительность жизни. Другая революция произошла уже в наши дни в области использования керамики в медицинских целях. Это инновационное применение специально спроектированных керамических материалов для замены и лечения больных или поврежденных частей тела. Эту область современного материаловедения именуют биокерамикой, она охватывает материалы для эндопротезов в травматологии и ортопедии, пломбировочные материалы в стоматологии, имплантаты в челюстно-лицевой хирургии, медико-косметические средства.

Биокерамика должно обладать определенными химическими свойствами: отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями, отсутствие коррозии, механическими характеристиками (прочность, трещиностойкость, сопротивление замедленному разрушению, износостойкость), биологическими свойствами (отсутствие реакций со стороны иммунной системы, срастание с костной тканью, стимулирование остеосинтеза).

По характеру отклика организма на имплантат биоматериалы классифицируют следующим образом:

• 1) токсичные (если окружающие ткани отмирают при контакте) — большинство металлов;
• 2) биоинертные (нетоксичные, но биологически неактивные, образуется соединительная волокнистая ткань) — керамика на основе Al2O3, ZrO2;
• 3) биоактивные (нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью) и биорезорбируемые (происходит замена материала костной тканью) — композиционные материалы типа биополимер/фосфат кальция, керамика на основе фосфатов кальция, биостекла.

Основной недостаток биоинертной керамики — низкая долговечность вследствие экранирования механических нагрузок, приводящее к резорбции костной ткани, прилегающей к имплантату, и утрату последнего. Тем не менее, подобные материалы, по-видимому, не имеют пока альтернативы, как заменители тазобедренного сустава.

Рис. 1 Ортопедические имплантанты из апатит-волластонитовой стеклокерамики

К наиболее ярким представителям биоактивных материалов относятся биостекла (наиболее используется состав «45S5»: 24.5% Na₂O, 24.5% CaO, 45.0% SiO₂, 6% P₂O₅; варьируя состав, можно изменять биоактивность стекол и их резорбируемость) и материалы на основе гидроксиапатита (ГАП) — Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ (плотная и пористая керамика; ГАП-покрытия на металлических имплантатах; композиты ГАП-полимер, моделирующие, как, например, композит ГАП-коллаген, состав и структуру кости). К сожалению, невысокие механические характеристики подобных материалов не позволяют создавать крупные нагружаемые имплантаты.

Рис. 2 Использование стронция в лечении остеопороза

Последние публикации по данной тематике сообщают о получении кальциевой керамики, содержащей стронций. Для нового материала обнаружены противовоспалительные свойства, а применение стронция в лечении остеопороза кажется весьма многообещающим. Ученые полагают, что новый материал сможет использоваться для регенерации костной ткани, а также в качестве шаблонов для выращивания тканей. Эти выводы делаются на основе того факта, что ионы стронция могут заменять кальций в костной ткани, а стронцийсодержащие препараты способствуют увеличению плотности костей и успешно применяются для лечения остеопороза.

Разработанные исследователями материалы с добавками стронция содержат большое количество витлокита. Эта форма фосфата кальция более растворима, чем гидроксиапатит и при помещении в среду, соответствующую плазме крови человека, высвобождают ионы стронция в количестве, необходимом для проявления эффекта лечения от остеопороза, а также для защиты тканей, окружающих костный имплантат, от воспаления.

Использованная методика получения данного биокерамического материала заключается в осаждении геля с его последующей сушкой и обработкой, приводящей к образованию керамического материала. Эта методика отличается большим преимуществом по сравнению с существующими методами получения керамики — она не требует высоких температур, обеспечивает высокую чистоту и гомогенность материала, а также дает возможность контролировать размер пор материала.

Перспективны для применения в медицинских целях и углеродные материалы. Так, например, использование материалов на основе композитов углеродных трубок с полимерами позволяет создавать биосовместимые имплантаты. Упругие модули углеродных материалов близки к костным, а в ходе in vitro тестов не наблюдается ухудшения прочностных свойств. Другой перспективный «кандидат» на роль полного заменителя сустава — углеродный композит, армированный углеродными волокнами. Его механические свойства близки к характеристикам кости. Углеродные материалы биосовместимы, более того, можно легко контролировать их резорбируемость. На сегодняшний день углеродные композиты — наиболее вероятные материалы, которые прейдут на замену протезам.

Очень интересным и перспективным является так называемый «регенерационный подход». При этом используются различные материалы (биодеградируемые полимеры, биоактивные стекла, композиты HAp/CaSO4, Покрытие из НАр, на полимерных волокнах в растворе-аналоге межтканевой жидкости костные клетки и протеины на носителях из HAp, CaSO4 и др.) для стимуляции и ускорения костной регенерации. Правда, данный подход применим лишь к залечиванию малых дефектов.

Использование альфа-трикальций фосфата не позволяет создавать кости, которые бы могли держать вес тела, но, тем не менее, кости из него в десять раз более прочные, чем искусственные кости на основе гидроксилапатита. Кроме того, «напечатанные» кости обходятся дешевле и создать такие имплантаты значительно проще, чем из гидроксилапатита (его приходится спекать, чтобы соединить частицы между собой, да и замещаются здоровой тканью такие кости дольше).

Востребованность пересадки костей не вызывает сомнений. Эта процедура необходима людям, страдающим врожденными дефектами, перенесшими тяжелые травмы, заболевания (в том числе опухоли костных тканей), а также людям старшего возраста у которых увеличивается хрупкость костей [1].