01
А
Астрономия
02
Б
Биология
03
Г
Гуманитарные науки
04
М
Математика и CS
05
Мд
Медицина
06
Нз
Науки о Земле
07
С
Сельское хозяйство
08
Т
Технические науки
09
Ф
Физика
10
Х
Химия и науки о материалах
Химия и науки о материалах
12 декабря 2016
Как вырастить кость: наука на службе у травматологов

Российский ученый работает над материалом для костных имплантатов

olafpictures/Pixabay

Как с помощью электричества нарастить кость, чем материал для имплантатов похож на современную водонепроницаемую одежду и что такое полиморфизм, рассказывает Indicator.Ru.

Ведущий научный сотрудник центра RASA Томского политехнического университета Дмитрий Горин в составе международной группы ученых работает над одной из задач тканевой инженерии — задачей регенерации костной ткани. Разработано новое покрытие из минерала фатерита (ватерита) для нановолокнистого материала, использующегося в качестве каркаса для роста клеток костной ткани. Подробнее с исследованием можно ознакомиться в научной статье, опубликованной в журнале Journal of Biomedical Materials Research Part A.

На матрицу, состоящую из волокон поликапролактона, было нанесено новое покрытие, свойства которого ученые и хотели исследовать.

Они получили нетканый материал поликапролактон (poly-ε-caprolactone — PCL) методом электроформования. Эта технология была создана в СССР в 30-х годах прошлого века, но долгое время была засекречена. Потом ее открыли вновь, уже в США. В регенеративной медицине нетканые материалы, полученные методом электроформования, могут быть успешно использованы как каркасы тканеинженерных материалов из-за их уникальных физико-химических свойств, благодаря их наноструктурной природе.

«Опубликованная нами работа открывает новые возможности для создания каркасов для роста костной ткани, и в этом плане она является действительно новой и оригинальной. Особенность работы заключается в том, что мы взяли хорошо известную матрицу из поликапролактона и вырастили на поверхности ее нановолокон покрытие из одной из полиморфных модификаций карбоната кальция (CaCO3), фатерита, — очень интересного материала с точки зрения доставки лекарств, так как он имеет пористую структуру. Кроме того, в организме фатерит при определенных условиях может перекристаллизовываться в компоненты костной ткани. Поэтому композит фатерит/поликапролактон является перспективным материалом для создания костных имплантов», — комментирует соавтор исследования, доктор химических наук Дмитрий Горин, ведущий научный сотрудник Лаборатории новых лекарственных форм центра RASA Томского политехнического университета, а также профессор Саратовского государственного университета.

В природе фатерит — очень редкий минерал ввиду того, что его структура неустойчива в условиях поверхности Земли. У фатерита есть два гораздо более распространенных аналога с той же химической формулой (CaCO3): арагонит и наиболее широко встречающийся кальцит. Подобные явления — существование вещества с одной химической формулой, но с разными типами кристаллической структуры — носят в минералогии название «полиморфизм».

0465a97348624171685b0b31c201ca2e56c709ee
Изображение композитного материала фатерит/поликапролактон, полученное методом сканирующей электронной микроскопии
Дмитрий Горин
A5e7b293af19b60142089e78c6677d4255997ee7
Изображение композитного материала фатерит/поликапролактон, полученное методом сканирующей электронной микроскопии
Дмитрий Горин

Чтобы клетки начали расти, им нужно предоставить основу. Она может быть различной, нужно подобрать именно ту, свойства которой обеспечивают быстрый рост клеток, а следовательно, быструю регенерацию тканей. К этому материалу предъявляются определенные требования по проницаемости среды для различных веществ, а также паропроницаемости. После трансплантации каркас запускает процесс роста клеток, а затем деградирует. По словам Дмитрия Горина, если речь идет о создании будущей костной ткани, то в этом случае деградация композитного каркаса будет идти достаточно медленно, около месяца и более, чего вполне достаточно для замещения имплантата новообразованной костной тканью.

Основой является наноструктурированная матрица из поликапролактона, на поверхность волокон которых нанесены поликристаллические агрегаты фатерита (CaCO3), который при перекристаллизации в организме превращается в гидроксиапатит (Ca5(PO4)3(OH)) — минерал, из которого состоит скелет человека. Такое превращение возможно благодаря взаимодействию имплантата с кровью и другими биологическими жидкостями. Если рассмотреть кровь с точки зрения ионного состава, она содержит фосфат-ион (PO4)3- (в фосфатной буферной системе). Именно этот фосфат-ион взаимодействует с фатеритными частицами покрытия, в результате чего происходит реакция перекристаллизации с образованием гидроксиапатита. Механизм процесса перекристаллизации фатерита в гидроксиапатит был подробно рассмотрен учеными в их предыдущей работе.

«Костные импланты актуальны, когда речь идет о дефекте в кости, который сам не может возместиться. Сейчас мы ведем работу по созданию костных имплантов вместе с коллегами из Саратовского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии», — говорит Дмитрий Горин.

Волокна из поликапролактона получают, как было упомянуто выше, методом электроформования. Принцип метода заключается в том, что раствор полимера под давлением подается в иглу и за счет разности потенциалов, приложенной между иглой и вторым электродом, формируется нить с субмикронным диаметром. Нить свободно падает на подложку, являющуюся вторым электродом, и формирует нетканый материал.

Полученные нити можно сделать ориентированными, но для описанных в статье задач они должны были быть расположены хаотично, неупорядоченно. Современные мембранные материалы, использующиеся в изготовлении одежды, являются проницаемыми для пара, но не пропускают воду и делаются по той же технологии.

В дальнейшем ученые предполагают изучить поведение нового материала импланта in vivo (в живом организме) для того, чтобы выяснить возможность применения данного материала для регенерации костной ткани.

Комментарии

Все комментарии
САМОЕ ЧИТАЕМОЕ
Обсуждаемое