Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Микрофотография нанокристаллического карбонатгидроксиапатита
Рис.2. Механические свойства компактной кости и зубного дентина
Рис.3. Структура многослойной углеродной нанотрубки
Рис.4. Диаграмма растяжения (зависимость механического напряжения σ от относительного удлинения)

Углеродное чудо: Композиты УНТ-ГАП – идеальная биоактивная матрица для роста костных тканей

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Ковалёва Елена Сергеевна

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

18 апреля 2009

Предлагаем Вашему вниманию самые оригинальные работы конкурса Углеродное чудо, организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в Будущее" корпорацией Байер (Bayer MaterialScience). Автор: Ковалёва Елена Сергеевна

Abstract

Hydroxyapatite (HA) has been used in clinical bone graft procedures for more than 25 years, but it has some disadvantages. However, human bone mineral differs in composition from stoichometric HA in that it contains additional ions, of which carbonate is the most abundant specie (~8 wt. %). Carbonated hydroxyapatite (CHA) is a more prospective material for medicine in order to mimic the composition of native bone. It is more soluble and bioactive (osteoinductive) material than stoichiometric HA. The incorporation of carbonate ions has a considerable influence on the physicochemical properties of the solid and hence on the mineralization. However, its poor tensile strength and fracture toughness compared with bone make it unsuitable for major load-bearing devices.

Carbon nanotubes (CNTs), with their high aspect ratio and excellent mechanical properties, have the potential to strengthen and toughen CHA without offsetting its bioactivity, thus opening up a wider range of possible clinical uses for the material.

CHA is a biologically active calcium phosphate material that is used in surgery to replace and mimic bone. While CHA’s bioactivity means it has a significant ability to promote bone growth along its surface, its mechanical properties are insufficient for major load bearing devices. To combat this problem, current devices could be used CHA combined with other materials, such as polyethylene, yttrium-doped zirconia, and Bioglass. However, significant amounts of the reinforcing phases are needed to achieve the desired properties, and as these phases are either bioinert, significantly less bioactive than CHA, or bioresorbable, the ability of the composite to form a stable interface with bone is poor compared with CHA. An ideal reinforcement material would impart mechanical integrity to the composite at low loadings, without diminishing its bioactivity. CNTs, with their small dimensions, high aspect ratio (length to diameter), and high strength and stiffness, have excellent potential to accomplish this. Even suggested that they may possess some bioactive properties. There is considerable interest in CNTs and their applications, with currently over 400 articles published a month in the field. In particular, their role in composite materials is being increasingly investigated. Several recent studies have shown their ability to improve the mechanical properties of ceramics. Therefore, an interest has developed in applying these findings to incorporate CNTs, for example Baytubes® C 150 HP or Baytubes® C 150 P, into CHA to improve its mechanical properties, thus creating a synthetic bone graft material that can be used in major load-bearing situations. Thus CHA/CNT composite should be with excellent biological and mechanical properties.

Затрагиваемые темы:

  • УНТ в медицине
  • УНТ в изготовлении композитных материалов
  • новые области использования УНТ (прогноз и его обоснование)
  • свободная тема (необходимо сделать акцент на обоснование ее актуальности в работе)

Ежегодно в области по развитию биоматериалов вкладываются большие денежные средства, но для существенного быстрого и успешного прогресса этих вкладов всё равно не хватает, необходимы дополнительные инвестиции. В США по данным 2003 года средства, выделяемые на исследования в этой области, составили 1.16 млрд. $ к 2006 году эта сумма выросла до 2.3 млрд. $. После 2007 г прогнозируемый рост 25-30% в год. Среди наиболее вероятных потребителей люди старше 65 лет, подверженные остеопорозам и артритам. По прогнозам сумма, выделяемая на профилактику, лечение и операции остеоартрита коленного сустава, с 15 млн. в 2000 г. возрастёт до 19 млн. к 2010 г. В Японии ежегодный рост составляет 6%, а после 2008 г - не менее 20%. Почти в 2 раза меньше на исследования выделяется в Европе, но европейский рынок развивающийся и динамичный. Основные тренды: рост производства синтетических материалов, новые регулирования оборота и использования биоматериалов.

Со времени первых попыток использования фосфатов кальция в медицине концепция применения биоматериалов претерпела серьезные изменения. На первый план вышел так называемый регенерационный подход, в рамках которого акцент делается на замещение биоматериала нативной растущей костью, материалу отводят роль (активного) источника необходимых для построения костной ткани элементов, при этом немаловажное значение уделяется опорной функции. В этой связи, в настоящее время считается, что материалы на основе гидроксиапатита имеют следующие недостатки: низкая скорость биорезорбции in vivo, слабое стимулирующее воздействие на рост новой костной ткани (остеоиндукция), низкая трещиностойкость (KIc) и малая усталостная прочность в физиологических условиях.

Одним из известных способов повышения резорбируемости керамики на основе ГАП является переход к химическому модифицированию гидроксиапатита. Известно, что в качестве изоморфных примесей в кристаллическую решетку ГАП могут входить различные катионы и анионы. По медико-биологическим причинам круг возможных допантов ограничен. С кристаллохимической точки зрения замена катиона или аниона эффективна для изменения энергии решетки кристалла (и, следовательно, изменения произведения растворимости) и кислотно-основных свойств поверхности (т.е. кинетики процесса растворения).

Ожидается, что «идеальный имплантат» должен постепенно растворяться в среде организма (и в идеале выполнять при этом свои опорные функции), а на его месте образовываться новая костная ткань. Очевидно, что резорбтивная функция биоматериала имеет крайне важное значение для успешной интеграции материала в организм наряду с опорной. Скорость регенерации кости зависит от нескольких факторов, таких как пористость, состав, растворимость и присутствие некоторых элементов, которые выходят в ходе резорбции керамического материала, облегчая регенерацию кости, проводимую остеобластами. В связи с вышесказанным, перспективным материалом считается композит на основе карбонатгидроксиапатита (КГА) (рис. 1) и углеродных нанотрубок (УНТ).

Костная ткань представляет собой композит: коллаген (20 мас. % - органическая составляющая костной ткани, или костный матрикс), фосфаты кальция (69 мас. % - неорганическая составляющая) и вода (9 масс. %). Коллаген придает тканям организма необходимую механическую прочность при деформациях типа растяжения и изгиба (рис. 2). Молекулы коллагена, состоящие из трех скрученных спирально полипептидных нитей, способны собираться в волокна диаметром 100–2000 нм, что сопоставимо по размерам с УНТ. Прочность костной ткани на сжатие обусловлена минеральной составляющей - фосфатами кальция (преимущественно в форме карбонатгидроксиапатита).

Углеродные нанотрубки состоят из одной или нескольких (рис.3) свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой. Нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение (рис.4), так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются благодаря силе углеродных связей (sp2). Механическое поведение УНТ в композитах достаточно сложно описать. Предел прочности и коэффициент жесткости углеродных нанотрубок может зависеть от связанности между двумя фазами, зависящей от смачиваемости и площади межфазных границ.

Биологическое поведение (токсичность) УНТ зависит от скорости резорбции in vivo, быстрое высвобождение УНТ может причинить вред окружающим тканям. Однако исследование токсичности одностенных УНТ на мышах не выявило каких-либо патологических изменений тканей в течение четырех месяцев эксперимента при сохранении внутри макрофагов печени. Ряд авторов отмечает увеличение биоактивности при использовании УНТ в композитах и усиление регенеративных свойств кости.

Таким образом, продукция корпорации Bayer MaterialScience углеродные нанотрубки Baytubes® C 150 HP (чистота »99%) или Baytubes® C 150 P (чистота »95%) с числом слоёв 3-15, диаметром 13-16 нм, длиной 1-»10 мкм имеет большие перспективы для создания биорезорбируемого, прочного и остеоиндуктивного композита на основе карбонатгидроксиапатита.

Список использованной литературы

  1. E. S. Kovaleva, M. P. Shabanov, V. I. Putlayev, Ya.Yu. Filippov, Yu. D. Tretyakov, V. K. Ivanov. Carbonated hydroxyapatite nanopowders for preparation of bioresorbable materials. Mat.-wiss. u. Werkstofftech, 2008, v.39, No. 11, p.822-829.
  2. Ashley A. White, Serena M. Best, Ian A. Kinloch, International Journal of Applied Ceramic Technology, Vol. 4, No. 1, 2007, p. 1-13.
  3. Tolou Shokuhfar, Elby Titus, Gil Cabral, Antonio C.M. Sousa, Jose Gracio, Waqar Ahmed, Thomas Okpalugo, Ahmed Makradi, Said Ahzi, Modelling on the mechanical properties of nanocomposite hydroxyapatite/PMMA/carbon nanotube coatings, International Journal of Nano and Biomaterials 2007 - Vol. 1, No.2 pp. 107 – 115.
  4. Catherine Kealley, Margaret Elcombe, Arie van Riessen and Besim Ben-Nissan, Development of carbon nanotube-reinforced hydroxyapatite bioceramics, Physica B: Physics of Condensed Matter, Volume 385, p. 496-498.
  5. http://www.nanonewsnet.ru/news/2008/prodolzhayutsya-toksikologicheskie-issledovaniya-uglerodnykh-nanotrubok-vivo
  6. http://nanotrubki.narod.ru/
  7. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1159181&uri=index.html

Прикрепленные файлы:
kovaleva.doc (321.50 КБ.)

 

В статье использованы материалы: Творческий тур


Средний балл: 10.0 (голосов 4)

 


Комментарии
Прошу воздержаться от любых личных замечаний в отношении автора. Буду удалять без сожаления, как и во всех публикациях данной серии. Приветствуются только рассуждения по существу!
А где тут про нанотрубки?

Кроме общих фраз в конце работы ничего нет .

Кроме того, проверка токсичности УНТ на зрелых макрофагах на мой взгляд неубедительна.
Пастух Евграфович, 21 апреля 2009 16:02 
"Анализ полученных результатов показал, что КГА аналогичны с «AlgOss» как по спектральным характеристикам, так и по скорости резорбции и формированию костного матрикса, значительно превосходя ГА. Гранулы КГА могут успешно конкурировать с препаратом «AlgOss», как экологически чистый, отечественный остеопластический материал для заполнения костных дефектов".
Т.е. в 2008м, скорость резорбции была ещё не низкая?
И передайте привет 14и тысячам сотрудникам Bayer MaterialScience! Молодцы!
P.S.
Хотя, Baytubes® C 150 P, и это естественно, сommercialization and continued supply of this material are not assured.
Its supply may be discontinued at any time.
Гораздо более перспективным является использование в качестве каркасов для восстановления тканей самоорганизующихся трехмерных сеток из пептидных нанотрубок (на самом деле, чаще всего, наностержней, но в литературе утвердился термин peptide nanotubes). Модификация пептидов нужными сигнальными а/к последовательностями позволяет селективно выращивать нужные типы тканей. Когда необходимость в каркасе отпадает, он без каких-либо вредных последствий для организма постепенно разрушается.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Хвостатые нанопирамидки
Хвостатые нанопирамидки

NT-MDT Spectrum Instruments проводит мастер-класс по измерениям АСМ 30-31 марта в Москве.
В рамках VIII Ежегодной Конференции Нанотехнологического Общества России, которая будет проходить в Москве 30-31 марта, NT-MDT Spectrum Instruments проведёт мастер-класс по измерениям по методу АСМ на приборе Solver Next с контроллером для работы в нерезонансной осцилляционной моде HybridTM.

День 1. Регистрация на Олимпиаду, символика, открытие
Открылась XI Всероссийская Интернет - олимпиада по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". Участники поселены, зарегистрированы, написали химию и физику. Жаль, погода подкачала. Снег и дождь... Но обещают солнце и новые научные достижения.

В ИОХ РАН состоялся круглый стол по научно-техническому сотрудничеству между Россией и Индией
27 марта, в понедельник, в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН состоялось заседание Круглого стола для обсуждения путей расширения российско-индийского сотрудничества в областях науки и техники.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Научные конференции студентов на факультете наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ФНМ МГУ) – являются многолетней традицией. Зимняя конференция в 7 семестре - как контрольная точка для студентов, неотрывно от учебного процесса выполняющих квалификационную работу бакалавра.

XIX Весенняя научная школа МГУ

Разыскиваются юные технари, химики и математики!
Во время весенних каникул с 27 марта по 2 апреля в Подмосковье пройдет Весенняя школа МГУ "ЛАНАТ". В программе школы практикумы по математике, химии, биологии, программированию, электронике.

Измерение неоднородности оптических свойств наночастиц PbSe в растворе при помощи двумерной фемтосекундной спектроскопии
Баранов Дмитрий Александрович
Заметка о статье в которой удалось измерить неоднородность оптических свойств квантовых точек селенида свинца в растворе методом двумерной оптической спектроскопии и увязать эту неоднородность с распределением квантовых точек по размерам.

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.