Переломный момент или управляемое заживление.

Источник.

Изучение и создание биоматериалов превратились в одно из основных направлений материаловедения, движимое как обильным разнообразием веществ, подходящих для использования в решении специфических задач, так и необходимостью работать в условиях органических сред. Полимеры, керамика, металлы и их композиты нашли применение во многих био-ориентированных элементах. Например, именно синтез особых полимеров внёс значительный вклад в развитие передовых медицинских технологий, начиная с вопросов регенерации тканей.

И в то же время нельзя умалять значение керамических и металлических материалов, поскольку это основные конструкционные претенденты для восстановления костей и суставов. Они призваны довольно продолжительное время работать в условиях живого организма, который по разнообразию возможных влияний на изделие-имплант можно сравнить с целой химлабораторией. Поэтому для составляющих их веществ очень важны коррозионная устойчивость, износостойкость и так называемая усталостная прочность – способность выносить продолжительные нагрузки и как можно дольше в процессе эксплуатации не терять начальных свойств.

Однако дизайн биоматериалов следующего поколения необходимо основывать на фундаменте новых идей, не связанных рамками традиционных представлений. Там, где вчера хорошо себя проявило одно решение, новый метод может принести ещё больше пользы уже завтра.

Так, риск получить перелом в течение следующего года составляет почти 4%. Если пациенту не повезло, и необходима замена кости, то – вероятнее всего – это будет металлическая деталь, как наиболее подходящая по крепости и износостойкости. Но металл, увы, не столь хорош, как нам бы того хотелось: к сожалению, органическая среда довольно агрессивна для него. Поэтому металлические элементы со временем становятся токсичными и не способствуют желаемому восстановлению кости. 

Исходя из этого, учёные возлагают надежды на керамику, ведь с точки зрения самого материаловедения она больше похожа на металлы, чем на полимеры. Но вопрос в том, что её применение в медицинских учреждениях пока ограничено недостаточным контролем скорости абсорбции и замещения импланта костью в ходе заживления травмы.

Тем не менее исследователи из Токийского медицинского и стоматологического университета (TMDU) считают, что ключом к проектированию высокофункциональных керамических биоматериалов является изучение органической химии вкупе именно с химией полимеров. Типичными примерами этого являются функциональные металлоорганические каркасы, органо-неорганические гибридные материалы, которые получены из золь-геля (жёсткой, пористой массы дисперсии коллоидных частиц в жидкости, рассредоточенных в гибкой сетке геля) и органически модифицированные неорганические слоистые соединения. Если получится включить в керамику не только органические компоненты, но и высокотехнологичные полимерные материалы, тогда будут шансы разработать ещё более функциональные керамические биоматериалы.

Чтобы это осуществить, исследователи изучили влияние длины углеродной цепи керамики на основе эфира фосфорной кислоты, содержащей ион кальция, на скорость её превращения в гидроксиапатит посредством щелочной фосфатазы, имеющейся в составе костей. В результате работы состав на основе фосфата кальция в качестве заменителя костного минерала гидроксиапатита оказался идеальной альтернативой традиционным металлам в принципе, поскольку керамику – опять же, в отличие от металла – кость заменить вполне способна, а значит может и отрасти заново. Этот успех уже сам по себе предлагает перенести новый подход к костной регенерации из научных лабораторий в медицинские.

«Медики уже давно ищут средства для лечения переломов костей без использования имплантированных медицинских устройств, но научная база, которая может воплотить эту мечту в реальность, ещё не полностью разработана, – объясняет ведущий автор исследования Тайши Йокои, доцент кафедры неорганических биоматериалов Института биоматериалов и биоинженерии в TMDU. – Наш тщательный анализ влияния длины сложноэфирной алкильной цепи керамики на образование гидроксиапатита в смоделированной жидкости организма может помочь в разработке нового биоматериала для замены кости».

В статье, недавно опубликованной в Science and Technology of Advanced Materials, исследователи сообщают о двух основных выводах. Во-первых, большая часть изученной керамики претерпела химические превращения в дисперсный или волокнистый гидроксиапатит в течение нескольких дней, что позволяет говорить о достижимости цели заживления травмированного участка. Во-вторых, более мелкие алкильные группы способствуют более быстрым химическим реакциям, чем более крупные алкильные группы. А раз уж лимитирующей (или наиболее продолжительной) стадией образования гидроксиапатита является растворение керамики, то большую растворимость можно обеспечить меньшими алкильными группами. Подобным же ускорением образования гидроксиапатита, мы получаем удивительную возможность регулировать скорость восстановления кости.

«Теперь у нас есть конкретные химические знания о том, как адаптировать скорость роста гидроксиапатита из кальций-фосфатной керамики. Мы ожидаем, что эти знания будут полезны лабораторным исследователям и практикующим врачам для более эффективного сотрудничества в адаптации скорости реформации кости в медицинских условиях», – надеется Йокои. 

Результаты этого исследования сами по себе открывают новую веху в заживлении переломов в послеоперационный период и в ведении восстановительной терапии, поскольку новые заменители кости больше соответствуют потребностям реальной медицинской практики и улучшают её результативность. Благодаря использованию химических данных для оптимизации скорости регенерации костной ткани после имплантации кальций-фосфатной керамики результаты лечения пациентов улучшатся, а число повторных госпитализаций для дальнейшего «ремонта» спустя годы вообще будет сведено к минимуму.

АРМК, по материалам TMDU