Біоакти́вне скло́ також біоскло́ (, Bioglass®) — це група біологічно активних матеріалів на основі силікатного скла, які застосовуються для відновлення або заміщення пошкоджених тканин. Біоактивне скло належить до біокераміки, що здатна взаємодіяти з тканинами організму. Його ключовою властивістю є здатність утворювати міцний фізико-хімічний зв'язок із живою кістковою тканиною, що відрізняє його від біоінертних та біотолерантних матеріалів. Цей матеріал належить до біоматеріалів третього покоління, оскільки він не просто заміщує тканину, а стимулює її регенерування на клітинному та генетичному рівнях. Завдяки цій унікальній характеристиці біоактивне скло знайшло широке застосування в регенеративній медицині, зокрема в ортопедії, травматології та стоматології, для заміщення та відновлення кісткових дефектів. Ці матеріали не просто заповнюють порожнини, а й активно стимулюють природні процеси остеогенезу (кісткоутворення), сприяючи утворенню шару карбонізованого гідроксилапатиту і активації ендогенної ремінералізації пошкодженої тканини.
Біоактивне скло зазвичай виробляють на основі діоксиду кремнію з додаванням інших оксидів. Найвідомішим складом біоскла є Bioglass® 45S5, що крім діоксиду кремнію містить оксид натрію, оксид кальцію і пентаоксид фосфору. Найновіші розробки дозволяють також отримувати біоактивне скло на основі оксиду бору та з використанням поліефірних добавок.
Винаходи Перші досягнення Bioglass® Винахідником біоактивного скла вважається американський науковець Ларрі Генч () з Університету Флориди. Під враженням від випадкової розмови з полковником, який напередодні повернувся з війни у В'єтнамі, про нестачу медичних технологій, що допомагали б рятувати кінцівки поранених, Генч зайнявся роботою зі створення біоматеріалів, які б не відторгалися організмом. Способи реконструкції пошкоджених кісткових тканин за допомогою імплантатів були відомі, але проблема полягала в матеріалі для імплантата, який має бути біологічно сумісним з тканиною. Спочатку перевага віддавалася біологічно інертним матеріалам – корозієстійким металам, пластмасі й кераміці. Такі матеріали як титан і його сплави, неіржавна сталь, кераміка є нетоксичним і стійкими до біохімічних впливів організму. Однак біоінертні матеріали не набули широкого застосування у реконструктивно-відновній хірургії через відсутність біоактивних покриттів, що виключали б неминучі реакції відторгнення.
Команда Генча з’ясувала, що гідроксилапатит Ca10(PO4)6(OH)2 утворює надзвичайно міцний зв’язок зі скелетом і є основною мінеральною складовою кісток. Досліди з різними складами на основі гідроксилапатиту дозволили виявити, що він стимулює остеогенез і відіграє важливу роль у регуляції кальцій-фосфатного обміну в організмі, і що шукані властивості можна отримати, якщо надати матеріалу форму скла з пористою структурою.
У 1969 році було отримано зразок скла з молекулярно-ваговим співвідношенням компонентів: SiO2(45\%) + Na2O(24{,}5\%) + CaO(24{,}5\%) + P2O5(6\%), що отримав згодом назву «Bioglass 45S5». Тед Грінлі, доцент кафедри ортопедичної хірургії в Університеті Флориди, імплантував зразки щурам. Через шість тижнів Грінлі зателефонував Генчу й повідомив, що зразки неможливо витягти назад .
Отже, Ларрі Генч зміг добитись результату, при якому отриманий матеріал настільки міцно інтегрувався з кісткою, що його неможливо було видалити, не пошкодивши кістки. Генч опублікував свою першу працю на цю тему в 1971 році у виданні Journal of Biomedical Materials Research. Його лабораторія продовжувала працювати над проєктом протягом наступних 10 років за фінансової підтримки від армії США. Найвідоміший склад, запропонований Генчем, у 1985 році отримав торгову марку Bioglass® 45S5 і став золотим стандартом у цій галузі. До 2006 року науковцями по усьому світу було опубліковано уже понад 500 статей на тему біоактивного скла.
Розвиток науки Після появи біоактивного скла у 1969 році низка дослідників ініціювала серію міжнародних симпозіумів з біоматеріалів, присвячених переважно матеріалам для реконструктивної хірургії. По мірі того, як ці симпозіуми ставали все популярнішими, виникла ідея створення спеціалізованої організації з біоматеріалів. The Society For Biomaterials було офіційно засновано у США у квітні 1974 року. В березні 1976 року аналогічне товариство () було створене у Європі.
Етапи розвитку технологій біоактивного скла умовно розділяють на чотири періоди: Період відкритя (1969—1979): Цей період характеризується фундаментальним відкриттям Ларрі Генча, розробкою перших методик тестування in vitro (в лабораторних умовах) та in vivo (в живому організмі), а також встановленням основних механізмів поверхневих реакцій, що лежать в основі біоактивності. Основна увага була зосереджена на доведенні концепції хімічного зв'язку між склом та кісткою. Період клінічного застосування (1980–1995): Цей етап ознаменувався переходом від лабораторних досліджень до практичного використання в медицині. Важливим відкриттям стало те, що біоскло здатне з'єднуватися не тільки з кістковою, але і з м'якою сполучною тканиною. Це дозволило створити та отримати дозвіл FDA на перші комерційні медичні вироби, такі як протези для реконструкції слухових кісточок середнього вуха (MEP). Період регенерації тканин (1995–2005): Протягом цього періоду відбувся концептуальний зсув від простого заміщення пошкоджених тканин до їхньої активної регенерації. Було виявлено феномен остеостимуляції — здатність іонів, що вивільняються при розчиненні скла (зокрема, іонів кремнію та кальцію), діяти як сигнальні молекули, що стимулюють клітини на генетичному рівні до утворення нової кістки. Це відкриття призвело до широкого застосування біоскла у вигляді гранул та порошків для заповнення кісткових дефектів.; Період інновацій (з 2005): Цей етап розвитку характеризується створенням біоматеріалів третього покоління. Дослідники модифікують склад скла, додаючи терапевтичні іони (наприклад, стронцій, цинк, мідь) для надання матеріалу антибактеріальних або остеогенних властивостей. Розробляються складні тривимірні структури, такі як пористі каркаси (скаффолди), виготовлені за допомогою 3D-друку, для вирішення конкретних клінічних завдань у тканинній інженерії..
До 1980-х років дослідження фокусувалися на використанні біоскла в ортопедії та стоматології для лікування дефектів кісток, що виникли внаслідок травм чи захворювань. Подальші дослідження показали, що продукти розчинення, які виникають в результаті деградації біоскла, здатні стимулювати не лише процес остеогенезу, але і , що призводить до утворення хряща. Взаємодія біоскла з м'якими сполучними тканинами була вперше продемонстрована в 1981 році дослідницькою групою доктора Джона Вілсона.
Нові напрями Боратне скло Базові склади, що застосовуються для створення нових рецептур виготовлення біоактивного скла, в основному ґрунтувалися на матриці з діоксиду кремнію. Більшість комерційних біоактивних стекол містять його як основний компонент. Механізм зв'язування в таких біостеклах на основі силікатів полягає в частковому розчиненні завдяки присутності оксидів-модифікаторів (CaO і P2O5), що призводить до утворення шару силікагелю та подальшого осадження шару фосфату кальцію. При дослідженні інших склоутворюючих компонентів було розглянуто боратне скло. Воно відносно легкоплавке, має значно меншу, ніж силікатне скло, в'язкість і характеризується модулем пружності, найбільшим для стекол з високим вмістом лужних оксидів. З появою чистого боратного скла почалося його вивчення з метою використання в біомедичних практиках.
Маріна Річард () першою досліджувала заміну SiO2 на B2O3 у складі біоскла. У 2000 році М. Річард досліджувала швидкість утворення гідроксилапатиту для першого боратного скла у складі, аналогічному до 45S5, але без діоксиду кремнію і з невеликим вмістом кристалічної фази. Для оцінки утворення гідроксилапатиту на склі було змодельовано безклітинний процес. Процес включав реакцію частинок боратного скла у фосфатному розчині K2HPO4 різної молярності при температурі 37 °C. Утворення гідроксилапатиту найкраще спостерігалося в 0,1 М розчині фосфату для обох стекол. Продукти реакції були досліджені з використанням рентгенівської дифракції, інфрачервоної спектроскопії, сканувальної електронної мікроскопії, енергодисперсійної спектроскопії, . Результати роботи безклітинної моделі були позитивними, і за ними були подальші дослідження боратного біоскла. З використанням кісткових клітин було проведено експерименти in vivo, що успішно продемонстрували ріст тканин кістки навколо частинок боратного скла, дуже схожий з ростом тканин на зразку скла Генча зі складом 45S5. Успішна біологічна активність, отримана з першою композицією скла без діоксиду кремнію, була взята за основу для отримання інших композицій.
Дослідники з Стів Юнг () і Делберт Дей () випробовували дію біоактивного скла різного складу на біологічні рідини (зокрема, кров). Один із зразків боратного біоскла, що отримав марку 13-93B3, містив оксид кальцію. До його складу в масовому еквіваленті входили такі компоненти: B2O3(53\%) + CaO(20\%) + K2O(12\%) + Na2O(6\%) + MgO(5\%) + P2O5(4\%).
Новий винахід ґрунтувався на здатності організму утворювати волокна особливого білка — фібрину — на пошкоджених тканинах, які зупиняють тромбоцити і є скелетом утворюваного тромбу. Метою проєкту стало створення біоскла, що імітує мікроструктуру фібринового згустку. Зі складу 13-93B3 науковці виготовили нановолокна розміром від до з високою пластичністю. Новий матеріал отримав назву «DermaFuse».
Після випробувань на лабораторних тваринах у 2011 році були проведені клінічні випробування в Регіональному медичному центрі округу Фелпс (Міссурі, США) на пацієнтах із загрозою ампутації кінцівок через інфікування ран. У деяких пацієнтів були виразки на венах гомілки, які не гоїлися більше ніж рік. Для лікування ран застосовувалися прокладки з нановолокон DermaFuse. У всіх дванадцяти пацієнтів, хворих на діабет і які мали показання до ампутації, відзначалися значні поліпшення та загоєння ран практично без утворення рубців. Крім того, DermaFuse виявився згубним для бактерій кишкової палички, сальмонели і стафілококів.
Поліефірні компоненти
Обмежувальними факторами у використанні біоактивних стекол є їх низькі міцність, крихкість і ударна в'язкість, що не дозволяє їх використовувати для створення великих навантажуваних виробів.
У 2016 році команда дослідників з Імперського коледжу Лондона і Міланського університету Бікокка розробила нове біоскло, що відрізняється здатністю до перенесення навантажень і амортизації імітуючи таким чином фізичні властивості хрящової тканини. У його складі застосовується кварц і полікапролактон — біорозкладний поліефір з низькою температурою плавлення. Механічні властивості полікапролактону дуже близькі до властивостей хрящової тканини, він має достатню гнучкість і міцність. Надруковані за допомогою 3D-принтера відповідні за формою структури після введення посилюють ріст і регенерування хрящових клітин. Біорозкладний імплантат дозволяє витримувати вагу пацієнта та забезпечує можливість ходити без потреби у додаткових металевих пластинах чи інших імплантатах.
Генетична теорія За допомогою біоскла вчені також намагаються знайти рішення проблеми із запуску регенерації тканин через активізацію процесів відновлення організму. Генч свого часу висунув гіпотезу, що іони, які вивільняються з біоактивного скла при розчиненні, стимулюють гени клітин до регенерації і самовідновленняHench, L. L. (2000). A Genetic Theory of Bioactive Materials. Key Engineering Materials, 575–580. https://doi.org/10.4028/WWW.SCIENTIFIC.NET/KEM.192-195.575}}