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
- 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.
- Ashley A. White, Serena M. Best, Ian A. Kinloch, International Journal of Applied Ceramic Technology, Vol. 4, No. 1, 2007, p. 1-13.
- 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.
- 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.
- http://www.nanonewsnet.ru/news/2008/prodolzhayutsya-toksikologicheskie-issledovaniya-uglerodnykh-nanotrubok-vivo
- http://nanotrubki.narod.ru/
- http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1159181&uri=index.html
