Костная ткань представляет собой значительную и динамически поддерживающую соединительную ткань, которая продолжает реконструироваться и перестраиваться в течение всей жизни человека, т.к. кость — это каркас тела, отвечающий за поддержку, защиту, передвижение и несение нагрузки.
Он также берет на себя ответственность за минеральный гомеостаз и другие функции.
В настоящее время, недуги опорно -двигательного аппарата, которые приводят к дегенерации тканей и воспалению, являются основными причинами инвалидности и связанных с ними заболеваний по всему миру.
Несмотря на то, что костная ткань обладает способностью к внутреннему восстановлению и регенерации, заживлению крупных дефектов кости, вызванных травмой, инфекцией и опухолью, она все ещё нуждается во вмешательствах.
Существует, огромный спрос на технологии и материалы для улучшения такого рода недугов.
Наноматериалы — это синтетические или натуральные материалы. Технически, любой материал в наномасштабе можно рассматривать как наноматериал, но для лучшего биомедицинского применения размер должен быть в диапазоне 10–100 нм. Размер выше 100 нм может вызывать эмболию и может фагоцитироваться и удаляться селезенкой, тогда как ретикулоэндотелиальная система и почки могут легко очищать материалы размером менее 10 нм.
Кроме того, размер менее 10 нм является более токсичным и реактивным из-за более высокой поверхностной плотности и увеличенных поверхностных реактивных электронов.
Нанобиоматериалы являются структурными аналогами различных белков организма, рецепторов, лигандов и ДНК (обычно размером 5–20 нм). Это позволяет им свободно взаимодействовать с различными рецепторами организма, легко пересекая клеточную мембрану.
Нанобиоматериалы широко используются в генной терапии, систем доставки нанопрепаратов, тераностик при раке и других болезнях, соно- и фотодинамических методов лечения, протезных ортопедических имплантатах, тканевых технологиях и так далее.
Поэтому нанобиоматериалы в сочетании с другими медицинскими методами могут сыграть ключевую роль в ближайшем будущем.
Биология и регенерация костей
Макроскопически костная ткань эволюционирует в различные проявления для поддержки различных функций. Чтобы упростить систему, кости можно классифицировать на основе формы (т.е. длинной, короткой, плоской и неправильной кости), местоположения (т.е. осевой и аппендикулярной кости) или состава (т.е. компактной или губчатой кости), и так далее.
В зависимости от их функции, кости различаются только по схеме расположения, хотя все они состоят из одинаковых материалов.
Костная матрица
Костная матрица состоит из органического компонента, неорганического минерального компонента и воды. Органический компонент составляет приблизительно 25% веса костного матрикса, который способствует развитию кровеносных сосудов.
Важным требованием к материалам для восстановления костей является содействие ангиогенезу из-за более высоких потребностей крови в костных тканях.
Подача кислорода и питательных веществ незаменима для роста клеток и тканей. Воспалительная реакция на заживление раны может вызвать спонтанное образование кровеносных сосудов после имплантации каркаса. Для формирования сосудистой сети требуется несколько недель, однако большинство каркасных материалов не обладают способностью вызывать ангиогенез. Кроме того, неправильный или недостаточный ангиогенез может препятствовать доставке кислорода и жизненно важных питательных веществ, что может привести к неконтролируемой дифференцировке или апоптозу клеток.
Наноматериалы, применяемые для восстановления и регенерации костей
Перелом кости, остеопороз, остеоартрит и различные опухолевые заболевания являются наиболее распространенными клиническими проблемами, связанными с костной и скелетной системой.
Эти общие проблемы могут быть связаны с недоеданием, старением, гормональным дисбалансом или травмой.
По оценкам, ежегодно по всему земному шару проводится около 2,2 миллиона трансплантатов костной ткани.
Автотрансплантат является наиболее распространенным ортопедическим имплантатом, но имеет определенные хорошо документированные ограничения (т.е., резорбция, заболеваемость донорских участков, нарушенное снабжение и процент отторжения до 50% на некоторых участках).
В основном, сложные и множественные переломы из-за травмы или возраста (в основном в тазобедренном суставе, т.е. переломах головки бедренной кости) поддерживаются протезными имплантатами для правильного заживления.
Эти имплантаты состоят из различных материалов, известных как биоматериалы. Тем не менее, в среднем через 10–15 лет традиционная недостаточность имплантата будет связано с воспалением, разрыхлением, износом, связанным с биоматериалом, остеолизом и аутоиммунными реакциями.
Эти препятствия побуждают к разработке биоматериалов с большей цитосовместимостью и продолжительной жизнью с более высоким качеством жизни пациента.
Следовательно, роль нанотехнологий и наноматериалов становится очень важной.
Ранее различные нанокомпозиты, материалы и частицы применялись для имитации роста костной ткани, снижения аутоиммунных реакций и контроля микробных инфекций.
В современной терапии и хирургии высоко ценятся биомедицинские применения наноразмерных материалов для улучшения и регенерации костной системы, особенно в костной и поддерживающей тканях.
Трехмерные каркасы, структурная аналогия, биосовместимость, свойства, способствующие росту, и разлагаемость наноразмерных материалов с привязкой ко времени делают их идеальными кандидатами для ортопедических операций и протезирования костей.
