Искусственная кость — это костноподобный материал, созданный в лаборатории, который можно использовать в костных трансплантатах для замены человеческой кости, утраченной из-за тяжелых переломов, болезней и т. д. [1]
Перелом кости, который представляет собой полный или частичный перелом кости, является очень распространенным заболеванием, которое регистрируется в США более чем в трех миллионах случаев в год. [2] Кости человека обладают способностью самовосстанавливаться за счет цикла резорбции кости и формирования кости. Клетка, ответственная за резорбцию кости, — остеокласт , а клетка, ответственная за образование кости, — остеобласт. При этом человеческое тело может регенерировать сломанную кость. Однако если повреждение кости вызвано заболеванием или серьезной травмой, организму становится трудно восстановиться. Когда организм человека не может регенерировать утраченную костную ткань, на помощь приходят хирурги и заменяют недостающую кость с помощью аутотрансплантатов, аллотрансплантатов и синтетических трансплантатов (искусственная кость). Если сравнивать искусственную кость с аутотрансплантатом и аллотрансплантатом, то он менее инвазивный и более биосовместимый, поскольку позволяет избежать риска неизвестных вирусных инфекций. [3]
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 из металла и керамики, как правило, плохо сочетаются с биосовместимостью, поскольку их трудно смешать с костной тканью. [4] Таким образом, чтобы помочь тем, кто нуждается в более комфортной жизни, инженеры разрабатывают новые методы производства и проектирования лучших искусственных костных структур и материалов.
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. [5] Остальная часть кости состоит из материалов, включая хондроитинсульфат , кератансульфат и липиды . [5] Расширение исследований и знаний об организации, структуре свойств коллагена и гидроксиапатита привело ко многим разработкам в области 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. [6]
В США ежегодно регистрируется более 6,5 миллионов дефектов костей и более 3 миллионов случаев травм лица. Ежегодно во всем мире проводится более 2,2 миллиона операций по костной пластике. Распространенными причинами трансплантации костной ткани являются резекция опухоли, врожденные пороки развития, травмы, переломы, хирургические вмешательства, остеопороз и артрит. [7] По данным Национального исследования амбулаторной медицинской помощи (NAMCS), в 2010 году в США было около 63 миллионов посещений отделений ортопедической хирургии и около 3,5 миллионов посещений по поводу переломов в отделениях неотложной помощи. Среди 6,5 миллионов случаев переломов костей или случаев дефекта, около 887 679 человек были госпитализированы. [8]
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 исследуются для регенерации кожи, печени и костей. [9] Способность альгината образовывать каркас 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.
Материалы, подходящие для использования в искусственных костях, должны быть биосовместимыми, остеокондуктивными и механически прочными. [5] Гидроксиапатит часто используется в исследованиях искусственной кости, поскольку он обладает биосовместимостью и остеокондуктивностью, необходимыми для эффективного и долговечного костного имплантата, но он довольно хрупок [5] и, кроме того, демонстрирует скорость растворения около 10 мас.% в год. , что значительно медленнее, чем скорость роста новообразованной кости, что требует принятия мер по увеличению скорости ее растворения. [10] Для применений, требующих более высокой прочности материала, можно использовать наноструктурированный искусственный перламутр из-за его высокой прочности на разрыв и модуля Юнга . [11] Во многих случаях использование одного типа материала ограничивает возможности искусственного костного имплантата, поэтому используются композиты. Имплантаты, состоящие из хитозана и гидроксиапатита, используют преимущества биосовместимости хитозана и его способности придавать сложные пористые формы, а также остеокондуктивность гидроксиапатита для создания композита, обладающего всеми тремя характеристиками. [5] Другими композитами, подходящими для использования в искусственной кости, являются композиты, в которых используется 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 керамико-коллагеновые композиты для регенерации кости. [9] Материал, используемый в искусственном костном имплантате, в конечном итоге зависит от типа создаваемого имплантата и его использования.
3D-печать становится эффективным способом производства искусственных костей. Сначала создается модель кости посредством реконструкции изображений компьютерной томографии, полученных от пациента. Затем искусственные костные материалы используются в качестве «нити» для 3D-печати. В соответствии с разрешением трансплантатов 3D-модель кости будет разделена на несколько слоев. Принтер печатает слой, затем следующий за последним и, наконец, создает искусственная кость. Большинство недавних исследований показывают, что нанокристаллы гидроксиапатита (ГА) являются идеальным материалом для 3D-печатных искусственных костей. Нанокристаллы ГА синтезируются методом мокрого синтеза с использованием диаммонийфосфата и хлорида кальция в качестве предшественников фосфора и кальция соответственно. [12] Кроме того, поликапролактон ( PCL) также может использоваться для 3D-печати изготовления искусственной кости в некоторых исследовательских отчетах.По сравнению с восстановлением поврежденных костей, метод 3D-печати может производить имплантаты, отвечающие индивидуальным потребностям ремонта.С другой стороны, методы 3D-печати производят имплантаты с небольшими побочными эффектами. Клетки-хозяева различных классификаций, такие как лимфоциты и эритроциты, демонстрируют минимальный иммунологический ответ на искусственные трансплантаты. [13]
Эффективные материалы-заменители кости должны обладать хорошей механической прочностью и адекватной биологической активностью. Биоактивность, которую часто измеряют 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 допирования. [10] В качестве альтернативы гидроксиаптатитным системам были тщательно изучены композиты с хитозаном в качестве одного из материалов для использования в искусственной кости. [5] Хитозан сам по себе может быть легко модифицирован в сложные формы, включающие пористые структуры, что делает его пригодным для роста клеток и остеокондукции. [5] Кроме того, хитозановые каркасы биосовместимы и биоразлагаемы, но обладают низкой прочностью, а сам материал не является остеокондуктивным. [5] Гидроксиапатит, с другой стороны, обладает превосходной биосовместимостью, но этому препятствует его хрупкий характер. [14] При использовании гидроксиапатита в качестве композита значительно улучшаются как прочность, так и остеокондуктивность, что делает композит жизнеспособным вариантом материала для искусственной кости. [5] Хитозан также можно использовать с углеродными нанотрубками, которые имеют высокий модуль Юнга (1,0–1,8 ТПа), прочность на разрыв (30–200 ГПа), удлинение при разрыве (10–30%) и соотношение сторон (> 1000). ). [5] Углеродные нанотрубки очень малы по размеру, химически и структурно стабильны и биологически активны. [5] Композит, образованный углеродными нанотрубками и хитозаном, значительно повышает прочность хитозана. [5] Наноструктурированный искусственный перламутр – еще один вариант создания искусственной кости. [11] Натуральный перламутр состоит из органических и неорганических слоев, подобных кирпичу и раствору. [9] Это, наряду с ионной сшивкой плотно свернутых молекул, позволяет перламутру иметь высокую прочность и вязкость. [9] Искусственный перламутр, имитирующий как структуру, так и эффект ионных связей, имел прочность на разрыв, аналогичную природному перламутру, а также предельный модуль Юнга, аналогичный пластинчатой кости. [11] С механической точки зрения этот материал мог бы стать подходящим вариантом для искусственной кости.
Прежде чем внедрять эту конструкцию в пациента, необходимо учитывать несколько аспектов любой конструкции искусственной кости. Искусственные костные имплантаты, которые плохо подходят пациенту из-за таких событий, как оставление кости-реципиента незафиксированной, могут вызвать покраснение и отек в области реципиента. [3] Неправильная посадка имплантатов также может быть вызвана спеканием , которое может привести к уменьшению размеров имплантата до 27%. [15] Остеокондуктивность является еще одним важным фактором при проектировании искусственной кости. Спеченные материалы повышают кристалличность фосфата кальция в некоторых искусственных костях, что приводит к плохой резорбции остеокластами и нарушению биоразлагаемости . [15] В одном исследовании этого удалось избежать, создав напечатанные на струйной печати искусственные кости по индивидуальному заказу, в которых использовался α-трикальцийфосфат (TCP), материал, который превращается в гидроксиапатит и укрепляет имплантат без использования спекания. [15] Кроме того, α-TCP биосовместим и помогает формировать новую кость, что лучше для пациентов в долгосрочной перспективе. [3] Чтобы конструкции искусственных костей были жизнеспособными по сравнению с аутологичными и аллогенными костными имплантатами, они должны быть биосовместимыми, обладать остеокондуктивностью и сохраняться в организме пациента в течение длительного периода времени.
Искусственные трансплантаты сохраняют сопоставимую прочность на сжатие, но иногда теряют сходство с человеческой костью в ответ на боковые силы или силы трения. [16] В частности, топография искусственной кости неточна по сравнению с ее естественным аналогом. По данным Grant et al., искусственные костные трансплантаты, полученные методом слияния, имели в среднем на 20% более низкий коэффициент трения по сравнению с настоящей костью. [16] Хотя компьютерная томография и последующие модели костей очень показательны для внутреннего состава реальной кости, конечный продукт зависит от разрешения принтера. В случаях возникновения дефектов принтера наиболее вероятной проблемой является снижение прочности на сжатие из-за непреднамеренных пустот. [15] После имплантации наблюдается снижение клеточной пролиферации и дифференциации по мере увеличения количества пациентов с возрастом. Это удлиняет интеграцию трансплантатов и препятствует формированию костной ткани. На животных моделях включение аллотрансплантатов вызывает образование тератомы . Будет ли вероятность этого события значительно увеличена, еще неизвестно. [2] Таким образом, для имитации каркаса тела необходимы каркасы из других биологических агентов. Коллаген I типа , который составляет значительную часть органической массы кости, является часто используемым каркасным агентом. Альтернативно, полимер хитозан обладает сходным биологическим действием, а именно стимулированием остеогенеза in vivo. [2]
Более современные методы изготовления включают струйную печать. [17] В одном исследовании струйный 3D-принтер изготовил аутотрансплантаты для нижней челюсти 10 пациентам. Имплантат гидроксиапатита был изготовлен из порошка трикальцийфосфата , который затвердел после гидратации. [17] Хирургическая процедура была проведена как с эстетической, так и с функциональной точки зрения. Все пациенты отметили удовлетворение костным продуктом. В другом исследовании, в котором изучались копии бедренных костей козы, нанокристаллы гидроксиапатита были изготовлены и смешаны на месте перед загрузкой в 3D-принтер. Исследование отметило небольшое снижение прочности бедренных костей на сжатие, что можно объяснить несовершенной печатью и повышенным содержанием губчатой кости . В целом, методы 3D-печати позволяют производить имплантаты с небольшими побочными эффектами у пациентов. Клетки-хозяева различных классификаций, такие как лимфоциты и эритроциты , демонстрировали минимальный иммунологический ответ на искусственные трансплантаты. [2] Лишь в случае неправильной стерилизации или предшествующей предрасположенности к инфекции возникали какие-либо существенные осложнения. Скорость печати является основным фактором, ограничивающим скорость производства искусственной кости. В зависимости от типа костного имплантата время печати может составлять от часа до нескольких. [15] Поскольку принтеры производят трансплантаты с более высоким разрешением, продолжительность печати увеличивается пропорционально.
Исследования искусственных костных материалов показали, что биоактивные и резорбируемые силикатные стекла ( биостекло ), стеклокерамика и фосфаты кальция обладают механическими свойствами, подобными человеческой кости. [18] Подобные механические свойства не гарантируют биосовместимость. Биологическая реакция организма на эти материалы зависит от многих параметров, включая химический состав, топографию, пористость и размер зерна. [18] Если материал изготовлен из металла, существует риск коррозии и заражения. Если материал керамический, ему сложно сформировать желаемую форму, а кость не сможет реабсорбировать или заменить ее из-за высокой кристалличности. [3] Гидроксиапатит, с другой стороны, продемонстрировал превосходные свойства в поддержке адгезии, дифференциации и пролиферации клеток остеогенеза, поскольку он термодинамически стабилен и биоактивен. [18] Искусственные кости с использованием гидроксиапатита в сочетании с коллагеновой тканью помогают формировать новые кости в порах и имеют сильное сродство к биологическим тканям, сохраняя при этом однородность с прилегающей костной тканью. [3] Несмотря на отличные характеристики взаимодействия с костной тканью, гидроксиапатит имеет те же проблемы с реабсорбцией, что и керамика, из-за своей высокой кристалличности. Поскольку гидроксиапатит обрабатывается при высокой температуре, маловероятно, что он останется в стабильном состоянии. [3]