Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Композиты УНТ-ГАП – биоактивная матрица для роста костных тканей

Ключевые слова:  биоматериалы

Автор(ы): Е.С.Климашина

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

10 декабря 2017

Приглашаем к участию в XII Всероссийской олимпиаде про нанотехнологиям!

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, углеродные нанотрубки имеют 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


В статье использованы материалы: Олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 05 февраля 2018 12:54 
Блистательный «Идеальный имплантат»
или
Береги кости смолоду, изобрети миру автономного робота-зубочистку cavum oris.

Итак, имплантированный в костные дефекты гидроксиапатит (ГАП) может выполняет роль опорной матрицы для образования костных структур.
«Композиты из ГАП в форме порошков, гранул, гелей в сочетании с полисахаридами хитозаном, альгинатом, гиалуроновой кислотой, белком коллагеном, пептидами, эмбриональными стволовыми клетками, лекарственными препаратами … расширили возможности восстановления патологически измененных минерализованных тканей». Но нерезербирующийся ГАП практически способствует образованию несовершенной костной ткани, что может повышать риск возникновения осложнений.
Для увеличения механической прочности образующегося костного минерального конгломерата, образования более совершенной костной ткани и с целью регулирования скорости резорбции, в кристаллическую решетку ГАП вводят карбонат-ионы и получают «перспективный материал» карбонатгидроксиапатит (КГАП). С общей пористостью порядка 45%, что важно для фактора роста различного костного матрикса новообразованного костного вещества, гранулы из наноструктуированных порошков КГАП после имплантации в костные дефекты выявляют их большую биорезорбцию, чем у гранул ГАП. А при покрытии КГАП титанового имплантанта антибиотики высвобождаются медленнее, «что позволяет предотвратить постоперационные инфекции и добиться остеоинтеграции имплантатов без осложнений».
Однако, если учесть, что на синтезированный при высокой температуре КГАП остеобласты синтезируют в 2 раза меньше коллагена, чем на ГАП, то внимание к токсичной для клеточных элементов фазе, при создании КГАП, как и к токсичности УНТ, важный фактор успешности перспектив применения УНТ в костнопластической хирургии. Не будем забывать и о направленной регенерации костной ткани - старой, но вечно молодой и (характерные движения кончиком языка в полости рта) востребованной теме.
Вы уже замечали?

Синергетика.
Кажется, что очень скоро интересы строителей небоскребов и костнопластических хирургов сойдутся на поиске материала с одними и теми же свойствами. См. Рис. 3.

Прикладная наука - это важно.
www.stom.ru:
На разработку робота у берлинских (Берлин, более 780 лет, более 3 млн. человек, Германия, 82 175 684 человек) стоматологов ушло более двух лет, и недавно он был опробован на первом пациенте. Стоимость робота-стоматолога $45 000.
bigpicture.ru:
Китай (1 380 083 000 человек)смог в очередной раз удивить разработками. Инженерам удалось создать стоматологического робота, который на днях провел первую успешную операцию.
Этот уникальный случай скоро может стать вполне обыденным, ведь в Поднебесной острая нехватка стоматологов, а людей, которым нужно вставлять зубы, уже около 400 миллионов.
Программное обеспечение для робота и самого «дантиста» делали четыре года: разработки проходили исключительно в Китае силами стоматологической клиники Четвертого военно-медицинского университета и Института робототехники.
Робот впервые успешно провел имплантацию двух зубов, напечатанных на 3D-принтере. Часовая операция проходила под местной анестезией. Первой пациенткой робота стала жительница города Сиань (3100 лет, более 7 млн. человек).
Конечно, обойтись без человека совсем в этой операции невозможно: перед ее началом специалисты запрограммировали угол и глубину движений, чтобы импланты встали в челюсть максимально точно. При этом машина самостоятельно корректировала свою работу, когда пациентка двигалась.
Операция была проведена с погрешностью 0,2-0,3 миллиметров, что вполне соответствует стандартам. Инженеры и медики говорят, что робот может выполнять работу даже более качественно, чем профессиональные стоматологи. Робот-новинка позволит избежать человеческих ошибок при операциях: иногда стоматологам сложно увидеть, что находится в некоторых областях полости рта.
Идея создания такого робота связана с нехваткой квалифицированных стоматологов в Китае. Сегодня в имплантации зубов нуждаются порядка 400 миллионов граждан страны, при этом каждый год в Поднебесной проводится около миллиона операций, часть из которых приводит к осложнениям из-за человеческого фактора.
Япония (основана 11 февраля 660 года до н. э, 126 225 000 человек):
Согласно японской "стратегии роботов", правительство надеется, что четыре из пяти получателей помощи получат поддержку со стороны роботов к 2020 году.
Россия ( Начало государственности 862 год, 146 877 088 человек)
К 2036-му один работающий россиянин будет нести финансовую ответственность за себя, свою семью и дополнительно одного пенсионера, а в дальнейшем — более, чем за одного.

И блистательная "Вечная Весна" (Роден, Эрмитаж)
А Вы уже придумали название своему cупертрендовому гаджету, произведению искусства учёных и инженеров ХХI века - домашнему роботу-дантисту или 3D роботу-стоматологу-профилактисту? Нет?
Тогда давайте назовем нашу тему ... "РоДен".(Или ПроРоДен). Для созвучия и с роботом-дантистом и с дентином и с замечательным французским скульптором Франсуа Огюст Рене Роденом, ведь и Скульптор и Дантист (Хирург!) стремятся к Прекрасному, воплощая его в своих скульптурах - блистательных шедеврах искусства!

P.S. Два сердечка на наших водительских правах это и будет шаг к доверию, уважению и любови друг к другу и нашим блистательным Хирургам и Государству.

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

 

Детские каракули
Детские каракули

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Морзе для металлов с графеном и силиценом. Нанокомпозит растет и упрочняется, используя CO2 из окружающего воздуха и солнечный свет. Рассеяние – не проблема, а возможность точных измерений. Электрическое управление скирмионной фазой. Академик Борис Патон отмечает 100-летний юбилей.

В Москве состоялась 12-я церемония вручения национальных стипендий L'oreal-Unesco «Для женщин в науке»
26 ноября в Москве в Государственном музее изобразительных искусств имени А.С. Пушкина прошла 12-я церемония вручения национальных стипендий L'ORÉAL-UNESCO «Для женщин в науке». Десяти молодым российским женщинам-учёным вручены стипендии, призванные помочь талантливым и перспективным специалистам в различных областях знаний развивать свою научную карьеру в России.

Открыта регистрация на заочный этап Межрегионального химического турнира
Открыта регистрация на заочный этап Межрегионального химического турнира. Химический турнир – это командное творческое соревнование для школьников в формате мини-конференции. Команда может состоять из 4 - 6 человек, зарегистрироваться можно до 15 декабря включительно. Тема химического турнира этого учебного года – «Химия и океан».

Эффект лотоса
Никельшпарг Эвелина Ильинична
Кратко и поэтично об одном из самых известных эффектов, который так любят школьники и участники наноолимпиады - об эффекте лотоса...

Рентгеновская микроскопия
А.В.Афонин, Мельников Геннадий Семенович
В предлагаемом кратком обзоре сделана попытка оценки возможностей применения рентгеновских методов анализа регулярных структур. Обзор может быть полезен участникам наноолимпиады и всем, кто интересуется современными методами анализа и их последовательным развитием.

Как работает оптический нанопинцет
Богданов Константин Юрьевич
Оптический (или лазерный) пинцет представляет из себя устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов и удержания их в определённом месте. Автор этой статьи постарается в популярной форме ответить на вопрос - почему некоторые частицы, оказавшись в лазерном луче, стремятся в ту область, где интенсивность света максимальна, т.е. в фокус. И это устройство теперь связано с Нобелевскими премиями навечно!

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
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.