NANOTECHNOLOGIE W ORTOPEDII

Hydroksyapatyt (HA) jest głównym składnikiem, z którego zbudowane są szkliwo zębowe, zębina oraz kości kręgowców. Apatyty stanowią około 65% masy kości, a ich zawartość zmienia się w zależności od rodzaju kości, a także wieku, sposobu odżywiania i aktywności fizycznej człowieka. W organizmie żywym HA ulega ciągłym procesom rozpuszczania, rekrystalizacji, czy hydrolizy. W sieci krystalicznej tego związku można stwierdzić obecność licznych podstawień izomorficznych. Hydroksyapatyty znalazły zastosowanie w ortopedii, stomatologii, laryngologii i kosmetyce. Domieszkowanie nanohydroksyapatytów jonami metali zwiększa spektrum potencjalnych zastosowań i daje możliwości osiągnięcia lepszych efektów terapeutycznych.

Nanotechnologia jest obecnie najintensywniej rozwijającym się interdyscyplinarnym kierunkiem badań, łączącym osiągnięcia wielu dziedzin nauki. Nanomateria wykazuje bowiem nowe właściwości, inne niż te charakterystyczne w przypadku rozmiarów dla skali mikro, co może zostać wykorzystane w wielu dziedzinach nauki, jak i licznych zastosowaniach. Obserwowany znaczny rozwój w kierunku nauk medycznych i pokrewnych dziedzin nauki jak chemia, czy biologia, związany jest między innymi z możliwością wykorzystania nanocząstek. Materiały przeznaczone do zastosowań biomedycznych powinny charakteryzować się wysoką czułością, a także specyficznością, brakiem toksyczności, długim czasem przechowywania i przydatności oraz możliwością detekcji substancji w obecności innych związków. Biorąc pod uwagę powyższą charakterystykę, apatyty stanowią jeden z najbardziej obiecujących materiałów.

Apatyty – budowa chemiczna Apatyty to związki nieorganiczne o ogólnym wzorze M10(XO4)6Y2, gdzie M to kationy dwuwartościowe (np. Ca2+, Sr2+, itp.), XO4 = PO43-, VO43-, itp., a Y oznacza aniony typu F-, OH-, Cl-, Br-, itd. Apatyty stechiometryczne krystalizują w układzie jednoskośnym. Jednoskośny apatyt jest rzadkością, bowiem już niewielkie odstępstwo od stechiometrii powoduje powstanie struktury heksagonalnej. Apatyt syntetyczny, jak i mineralogiczny oraz biologiczny krystalizuje w układzie heksagonalnym. Struktura ta pozwala na łatwe podstawienie ich różnowartościowymi kationami. Komórka elementarna hydroksyapatytu to Ca10(PO4)6(OH)2.

Hydroksyapatyty są głównymi składnikami kości i zębów. Powstają w czasie biomineralizacji, tworząc twarde struktury, tj. kości. Z jednej strony mogą się bezpośrednio wbudowywać do układu kostnego i dzięki ich biokompatybilności z tkankami kostnymi ludzkiego ciała stwarzają możliwości szerokiego zastosowania ich w medycynie. Z drugiej strony są stosowane, jako materiały powlekające części wspólne protez zastępczych, stymulujących wzrost kości na implancie, czy jako bardzo ważny związek używany w chirurgii ucha środkowego. Jednakże, materiały te nie są syntezowane i intensywnie badane w formach nanokrystalicznych, tóre to formy warunkują potencjalne zastosowanie ich w terapii przeciw-nowotworowej, czy jako nośniki substancji czynnych do kości oraz materiał wykazujący działanie przeciwbakteryjne.

Uzyskano nanomateriały hydroksyapatytowe do zastosowań biomedycznych o wysokim stopniu krystalizacji, czystości fazowej czy też dużej jednorodności przy zachowaniu relatywnie niskiego stopnia aglomeracji ziaren. Istotnym czynnikiem z punktu widzenia bioaplikacji jest wysoka biokompatybilność proponowanych materiałów dodatkowo oparta na syntezie bez użycia toksycznych rozpuszczalników. Hydroksyapatyt może zastąpić toksyczny jon w organizmie człowieka przez jego własny jon, np. wapniowy. Dzięki zastosowaniu powłoki nanohydroksyapatytowej na powierzchni metalowych implantów (najczęściej tytanu, stopów tytanu i stali nierdzewnych) następuje zmiana właściwości powierzchni styku implantu z otaczającymi tkankami. Ponieważ HA jest zgodny z tkankami naszego ciała i izoluje implant od sąsiadujących tkanek, to następuje zmniejszenie odpowiedzi immunologicznej ze strony naszego organizmu w porównaniu z materiałami wykonanymi bez powłoki hydroksyapatytowej. Ułatwia to proces gojenia, rozpoczęcie rehabilitacji oraz szybszy powrót pacjentów do zdrowia.

Formy stosowanych biomateriałów są również dostosowane do charakteru i rozległości ubytku kości. Hydroksyapatyty mają postać proszków, porowatych bloków lub kulek, dzięki czemu mogą ściśle upakować się w dowolnej przestrzeni. Ma to miejsce po amputacji dużego fragmentu kości w wyniku zaawansowanego procesu nowotworowego lub gdy wymaga tego konieczność rekonstrukcji stomatologicznych (szczękowo-twarzowych). Takie wypełnienie kości początkowo stanowi rusztowanie, następnie sprzyja naturalnemu odtwarzaniu ubytku kostnego, a co najważniejsze – jest alternatywą dla przeszczepów kostnych. Poważnym ograniczeniem stosowania tego typu wypełnień były wcześniej niezadowalające parametry mechaniczne czystego hydroksyapatytu, związane z niską wytrzymałością mechaniczną i odpornością na pękanie oraz małą stabilnością termiczną.

Proponuje się stosowanie fluoroapatytów, które charakteryzują się korzystniejszymi właściwościami. Wyniki badań po zastosowaniu próbek z zębów kalcynowanego ludzkiego szkliwa i po spiekaniu w wyższych temperaturach (1200 °C, 1300° C) wskazują na poprawę. mikrotwardości i wytrzymałości na ściskanie. Obecnie obserwuje się rozwój nowej gamy hydroksyapatytów o rozmiarach nanometrycznych o dużym znaczeniu w dziedzinie implantów medycznych charakteryzujących się dodatkowymi atrybutami. Zastosowanie nowej technologii umożliwiło otrzymanie takich domieszkowanych hydroksyapatytów, które stanowią oprócz powłoki kostnej oraz cementów kostnych o korzystnych parametrach tj. twardość, rozpuszczalność, porowatość, ładunek powierzchniowy, wykazujące także właściwości przeciwbakteryjne.

Domieszkowanie hydroksyapatytów poprzez wbudo-wanie jonów różnych metali rozszerza możliwości zastosowania tych materiałów, zwłaszcza przez wbudowanie trójwartościowych jonów lantanowców. Właściwości luminescencyjne jonów ziem rzadkich sprawiają, że domieszkowane nanokrystaliczne apatyty stanowią luminescencyjne biosensory. Jony Mn2+ zwiększają adhezję komórek, podczas gdy jony Fe3+ mają właściwości magnetyczne. Możliwe jest zastosowanie hydroksyapatytów w terapii przeciwnowotworowej. Magnetyczne nanocząsteczki hydroksyapatytu z dodatkiem Fe2+ były testowane na myszach podczas terapii hipertermicznej. Te badania in vivo wskazują, że środek ten wprowadzony w okolice guza i pod wpływem pola magnetycznego zmniejszał jego objętość nowotworu.

Kolejna właściwość związana ze strukturą porowatą implantów hydroksyapatytowych pozwala je stosować jako nośniki leków do kości. Wówczas leczenie stanów zapalnych w obrębie kości i stawów związane często z zabiegami chirurgicznymi oraz powikłaniami pooperacyjnymi, może mieć charakter terapii celowanej. Lek ma szansę dotrzeć w odpowiednim stężeniu do miejsca infekcji i skrócić czas hospitalizacji i ułatwić powrót pacjentowi do sprawności.

Nanomateriały stanowią następną generację ulepszonych materiałów na implanty ortopedyczne, potrafiące poprawiać właściwości powierzchniowe i kreować środowisko bardziej kondukcyjne dla funkcjonowania osteoblastów i wzrostu kości. Nanorurki, budujące bloki dla makro nanostruktur, mają 1/6 masy i są 100 razy bardziej wytrzymałe od stali. Nanostrukturyzowane ceramiki redukują tarcie i zużycie związane z bioparami trącymi.

Biologicznie aktywne cząsteczki dodawane do powierzchni implantu dzięki nanotechnologii stanowią przełom w kierowanej (celowanej) osteogenezie między powierzchniowej. Osteoblasty kulturowane na nanostrukturyzowanym tytanie mają trzy razy więcej wapnia od tych na konwencjonalnym tytanie.

Obecne aplikacje nanotechnologii to: Rozwój biodegradowalnych, opartych na inżynierii tkankowej sztucznych wiązadeł Fluoryzujące biologiczne wskaźniki stosowane w obrazowaniu guzów kości Celowana dostawa leków Terapie nowotworowe w celu grznia i spalania guzów Terapia genowa Hydrożele zastępujące tkankę łączną i posiadające znacznie lepsze właściwości mechaniczne

Bardzo istotne jest celowane dostarczanie leków w ortopedii. Nanotechnologia umożliwia mechanizmy dostarczania leków takie, że substancje biologicznie aktywne docierają bezpośrednio do miejsc, gdzie sa one najbardziej potrzebne. Nanofabrykowane powierzchnie umożliwiają osiągnięcie guza kości i umożliwiają specyficzną dostawę enzymów terapeutycznych do komórek guza. Nanokapsułki ze środkami przeciwzapalnymi pozwalają na przedłużone działanie w terapii artretyzmu. Nanowłókniste membrany redukują zapalanie pooperacyjne i przyspieszają gojenie.

Reguły cytokompatybilności i oddziaływań komórka – powierzchnia na powierzchniach nano- i mikrostrukturyzowanych: 1. Zwilżalność nanopowierzchni wpływa znacząco na adsorpcję

protein, co jest niezbędnym warunkiem dla adhezji komórek.

2. Nanostruktury posiadają bardzo rozwiniętą powierzchnię promotując adhezję komórek.

3. Zewnętrzne grupy chemiczne nanopowierzchni istotnie wpływają na migrację komórek, ich proliferację i różnicowanie.

Nanotechnologia daje wiele nowych narzędzi dla ortopedii, w tym odnoszące się do menisku łąkotki, wad osteochondrytycznych, osteointegracji materiałów, regeneracji i naprawy dysków kręgowych, celowanego dostarczania leków.

Łąkotka Rozwijane są techniki inżynierii tkankowej w celu regeneracji i naprawy łąkotki. Do tego celu mogą służyć skafoldy nanowłókniste otrzymywane za pomocą elektroprzędzenia. Posiadają one cechy mikrostrukturalne i długości nanometryczne takie, jak materiał rodzimy, ale nie mają wciąż wystarczającej wytrzymałości mechanicznej. Interesującym rozwiązaniem jest skafold bazujący na polikaprolaktonie (nylon) wypełniony koleganem.

Defekty osteochondryczne Wyzwaniem w medycynie jest uszkodzenie tkanki łącznej, a ściśle tkanki chrzęstnej stawu. Inżynieria tkankowa rozwija skafoldy do napraw osteochondrycznych, ale bez większych zastosowań klinicznych. Proponuje się rozwój materiału wielofazowego, który posiadałby różne biochemiczne i biomechaniczne właściwości tkanki rodzimej i przylegającej kości, ale spełniałby niezależne wymagania dla regeneracji tkanki chrzęstnej i kostnej. W jednej z prób opracowano metodą nanotechnologii biomimetycznej skafold gradientowy wielofazowy z własciwościami biologicznymi i funkcjonalnymi kości i chrząstki. Kompozyt został stworzony jako kościopodobna warstwa skafoldu, z regionem uboższym w mineralizację oraz warstwą chrzęstną.

Kość Wyzwaniem jest modyfikacja powierzchni za poomcą nanotechnologii, możliwa dla skafoldów nanowłóknistych. Rozwiązań jest wiele. Stwierdzono calowość wytworzenia powierzchni implantu tytanowego o nanotopografii. Stosuje się wstrzykiwalne nanostrukturyzowane trójwymiarowe skafoldy hydrożelowe do polepszenia adhezji osteoblastów i reperowania defektów kości. Ważną próbą jest wytwarzanie tlenku tytanu o budowie nanorurkowej

Dysk kręgowy Nanotechnologia była stosowana w formie inżynierii włókien pierścieniowych. Najpierw wytwarzano skafoldy metodą elektroprzędzenia i następnie wytwarzano konstrukcję bilamelarną dodając włókna kolagenu o innej orientacji.

Terapia lekowa celowana Obecnie potrafimy wprowadzać do skafoldów nanowłóknistyc niwielkie cząsteczki, jak doksycyklina i nanocząstki srebra. Inna próba to powlekanie implantów nanopowłokami zawierającymi pewne białka (interleukina), które zapobiegają infekcji przez aktywację makrofagów.

Cement kostny Obecnie cement kostny zawiera antybiotyki, jak tobramycyna i gentamycyna o wielkości mikrometrowej. Ich twardość zmniejsza odporność na kruche pękanie akrylowego cementu. Proponuje się zmniejszenie wielkości cząstek antybiotyków do skali nano.

Modyfikacja powierzchni w nanoskali Poprawia adhezję chondrocytów oraz osteoblastów, podwyższając ekspresję sialoproteiny i osteopontyny. Podwyższona zostaje proliferacja osteoblastów, ALP i odkładan ie wapnia w obecności BMP-2 (czynnik wzrostu). Cienkie warstwy nanoHA podwyższają osteokondukcję Ti i jego stopów.