Искусственная кость относится к костеподобному материалу, созданному в лаборатории, который можно использовать в костных трансплантатах для замены человеческой кости, утраченной из-за тяжелых переломов, болезней и т. д.

Перелом кости, который представляет собой полный или частичный перелом кости, является очень распространенным заболеванием, которое регистрируется более чем в трех миллионах случаев в США в год. Человеческие кости обладают способностью регенерировать за счет цикла резорбции кости и формирования кости. Клеткой, ответственной за резорбцию кости, является остеокласт, а клеткой, ответственной за формирование кости, является остеобласт. При этом человеческое тело может регенерировать сломанную кость. Однако, если повреждение кости вызвано болезнью или тяжелой травмой, организму становится трудно восстановиться. Когда человеческий организм не в состоянии регенерировать утраченную костную ткань, приходят хирурги и заменяют недостающую кость с помощью аутотрансплантатов, аллотрансплантатов и синтетических трансплантатов (искусственная кость). При сравнении искусственной кости с аутотрансплантатом и аллотрансплантатом она менее инвазивна и более биосовместима, поскольку позволяет избежать риска неизвестных вирусных инфекций.

При разработке имплантируемых биоматериалов ключевыми критериями являются биосовместимость, остеокондуктивность, высокая пористость и биомеханическая совместимость. Искусственная кость изначально изготавливалась из таких материалов, как металлы и твердая керамика, которые достаточно прочны, чтобы выдерживать нагрузку на кость. Однако жесткость этих материалов создавала огромную нагрузку на пациентов и не соответствовала критериям имплантации биоматериалов. Искусственные кости, изготовленные из металла и керамики, как правило, имеют плохую биосовместимость, поскольку их трудно смешать с костной тканью. Таким образом, чтобы лучше помочь тем, кто нуждается в более комфортной жизни, инженеры разрабатывают новые методы производства и проектирования более совершенной искусственной костной структуры и материала.

Двумя основными компонентами кости являются гидроксиапатит [Ca10(PO4)6(OH)2] и коллагеновые волокна. Гидроксиапатит, одна из наиболее стабильных форм фосфата кальция, составляет от 60 до 65 процентов кости. Остальная часть кости состоит из материалов, включая хондроитинсульфат, кератансульфат и липиды. Расширение исследований и знаний об организации, структуре свойств коллагена и гидроксиапатита привело ко многим разработкам каркасов на основе коллагена в инженерии костной ткани. Структура гидроксиапатита очень похожа на структуру исходной кости, а коллаген может действовать как молекулярные кабели и дополнительно улучшать биосовместимость имплантата.

Обзор

Демография травм костей В Соединенных Штатах ежегодно регистрируется более 6,5 миллионов дефектов костей и более 3 миллионов случаев травм лица. Ежегодно в мире проводится более 2,2 миллиона операций по пересадке кости. Распространенными причинами костного трансплантата являются резекция опухоли, врожденные пороки развития, травмы, переломы, хирургическое вмешательство, остеопороз и артрит. Согласно Национальному обзору амбулаторной медицинской помощи (NAMCS), в 2010 г. было зарегистрировано около 63 миллионов посещений отделений ортопедической хирургии и около 3,5 миллионов посещений по поводу переломов в отделениях неотложной помощи в США. Среди 6,5 миллионов случаев переломов костей или дефектов, примерно 887 679 человек были госпитализированы.

Актуальные направления костной пластики (виды костей, композиты) Исследования типов материалов для костной пластики традиционно были сосредоточены на производстве композитов органических полисахаридов ( хитин, хитозан, альгинат ) и минералов ( гидроксиапатит ). Альгинатные каркасы, состоящие из сшитых ионов кальция, активно изучаются в регенерации кожи, печени и костей. Способность альгината образовывать каркас и делает его новым полисахаридом. Несмотря на то, что многие минералы могут быть адаптированы к составу кости, гидроксиапатит остается доминирующим материалом, поскольку его прочность и известная модель человеческой кости Ягера-Фратцля обеспечивают уже существующую основу для размещения и изготовления.

Типы материалов

Материалы, подходящие для использования в искусственных костях, должны быть биосовместимыми, остеокондуктивными и механически прочнымиVenkatesan, Jayachandran; Kim, Se-Kwon (2010). "Venkatesan, J., & Kim, S.-K. (2010). Chitosan Composites for Bone Tissue Engineering—An Overview". Marine Drugs. 8 (8): 2252–2266. doi:10.3390/md8082252. PMC 2953403. PMID 20948907..Гидроксиапатит часто используется в исследованиях искусственной кости, потому что он обладает биосовместимостью и остеокондуктивностью, необходимыми для эффективного и долговечного костного имплантата, но является довольно хрупким и, кроме того, демонстрирует скорость растворения около 10 мас.% в год, что составляет значительно медленнее, чем скорость роста новообразованной кости, что требует принятия мер по увеличению скорости ее растворения. Для применений, требующих материала с большей прочностью, можно использовать наноструктурированный искусственный перламутр из-за его высокой прочности на растяжение и модуля Юнга. Во многих случаях использование одного типа материала ограничивает возможности искусственного костного имплантата, поэтому применяют композиты. Имплантаты, состоящие из хитозана и гидроксиапатита, используют биосовместимость хитозана и его способность формировать сложные пористые формы, а также остеокондуктивность гидроксиапатита для создания композита, обладающего всеми тремя характеристиками. Другие композиты, подходящие для использования в искусственных костях, включают в себя альгинат, биополимер, известный своими свойствами формирования каркаса. Использование альгината в композитах включает хитозановые композиты для восстановления костной ткани, композиты из биостекла для восстановления или замены дефектной или больной кости или керамически-коллагеновые композиты для регенерации костиVenkatesan, Jayachandran; Bhatnagar, Ira; Manivasagan, Panchanathan; Kang, Kyong-Hwa; Kim, Se-Kwon (2015). "Venkatesan, J., Bhatnagar, I., Manivasagan, P., Kang, K., & Kim, S. (2015). Alginate composites for bone tissue engineering: A review". International Journal of Biological Macromolecules. 72: 269–281. doi:10.1016/j.ijbiomac.2014.07.008. PMID 25020082.. Материал, используемый в искусственном костном имплантате, в конечном итоге зависит от типа создаваемого имплантата и его использования.

3D-печать искусственных костей 3D-печать становится эффективным способом производства искусственных костей. Сначала создается модель кости путем реконструкции изображений компьютерной томографии, полученных от пациента. Затем искусственные костные материалы используются в качестве «филамента» для 3D-печати. В соответствии с разрешением трансплантатов трехмерная модель кости будет разделена на несколько слоев. Принтер печатал слой, затем следующий за последним и, наконец, производил искусственную кость. Большинство недавних исследований показывают, что нанокристаллы гидроксиапатита (ГА) являются идеальным материалом для 3D-печатных искусственных костей. Нанокристаллы ГК синтезируют мокрым синтезом с использованием диаммонийфосфата и хлорида кальция в качестве предшественников фосфора и кальция соответственно. Кроме того, поликапролактон (PCL) также может использоваться для 3D-печати при производстве искусственной кости в некоторых исследовательских отчетах. По сравнению с восстановлением поврежденных костей технология 3D-печати может производить имплантаты, отвечающие индивидуальным потребностям в ремонте. С другой стороны, методы 3D-печати производят имплантаты с минимальными побочными эффектами для пациентов. Клетки-хозяева различных классификаций, такие как лимфоциты и эритроциты, проявляют минимальную иммунологическую реакцию на искусственные трансплантаты.

Преимущества

Свойства материала Эффективные материалы для замещения кости должны обладать хорошей механической прочностью наряду с адекватной биологической активностью. Биоактивность, которую часто оценивают по скорости растворения и образованию минерального слоя на поверхности имплантата in vivo, можно повысить в биоматериалах, в частности в гидроксиапатите, путем модификации состава и структуры путем легированияZhu, H.; et al. (2018). "Nanostructural insights into the dissolution behavior of Sr-doped hydroxyapatite". Journal of the European Ceramic Society. 38 (16): 5554–5562. arXiv:1910.10610. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.056. S2CID 105932012.. В качестве альтернативы системам гидроксиаптатита, композиты хитозана были тщательно изучены как один из материалов, который можно использовать для искусственной кости. Хитозан сам по себе может быть легко преобразован в сложные формы, которые включают пористые структуры, что делает его пригодным для роста клеток и остеокондукции. Кроме того, хитозановые каркасы биосовместимы и биоразлагаемы, но имеют низкую прочность, а сам материал не является остеокондуктивным.Гидроксиапатит, с другой стороны, обладает отличной биосовместимостью, но ему мешает его хрупкость. При использовании гидроксиапатита в качестве композита значительно улучшаются как прочность, так и остеокондуктивность, что делает композит пригодным для использования в качестве материала для искусственной кости. Хитозан также можно использовать с углеродными нанотрубками, которые имеют высокий модуль Юнга (1,0–1,8 ТПа), прочность на растяжение (30–200 ГПа), удлинение при разрыве (10–30%) и соотношение сторон (> 1000). Углеродные нанотрубки очень малы по размеру, химически и структурно стабильны и биоактивны. Композит, образованный углеродными нанотрубками и хитозаном, значительно повышает прочность хитозана. Наноструктурированный искусственный перламутр — еще один вариант создания искусственной костиTang, Zhiyong; Kotov, Nicholas A.; Magonov, Sergei; Ozturk, Birol (2003). "Tang, Z., Kotov, N. A., Magonov, S., & Ozturk, B. (2003). Nanostructured artificial nacre". Nature Materials. 2 (6): 413–418. doi:10.1038/nmat906. PMID 12764359. S2CID 6192932.. Натуральный перламутр состоит из органических и неорганических слоев, подобных кирпичу и раствору. Это, наряду с ионным сшиванием плотно свернутых молекул, позволяет перламутру иметь высокую прочность и ударную вязкость.. Искусственный перламутр, который имитировал как структуру, так и эффект ионных связей, имел прочность на растяжение, аналогичную натуральному перламутру, а также предельный модуль Юнга, аналогичный пластинчатой кости. С механической точки зрения этот материал был бы жизнеспособным вариантом для искусственной кости.

Рассмотрение дизайна

Клинические результаты