Искусственная кость - Artificial bone

Гибкий композит гидрогель-ГК, в котором соотношение минеральных и органических веществ в матрице приближается к таковому в кости человека.

Искусственная кость относится к кость -подобный материал, созданный в лаборатории, который можно использовать в костные трансплантаты, чтобы заменить человеческую кость, потерянную из-за серьезных переломов, болезни и т. д.[1]

Перелом кости, то есть полный или частичный перелом кости, является очень распространенным заболеванием, которое в США регистрируется более чем в трех миллионах случаев в год.[2] Кости человека обладают способностью к самовосстановлению за счет цикла резорбции и образования костей. Клетка, ответственная за резорбцию кости, - это остеокласт, а клетка, отвечающая за формирование кости, - остеобласт. При этом человеческое тело может восстанавливать сломанную кость. Однако, если повреждение кости вызвано заболеванием или серьезной травмой, организму становится трудно восстановить себя. Когда человеческое тело не может регенерировать потерянную 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 он менее инвазивен и более биосовместим, поскольку позволяет избежать риска неизвестных вирусных инфекций.[3]

Использование монолитных конструкций произвольной формы при проектировании композитных лесов

При разработке имплантированных биоматериалов ключевыми критериями являются: биосовместимость, остеокондуктивность, высоко пористость и биомеханическая совместимость. Изначально искусственная кость была сделана из таких материалов, как металлы и цельная керамика, которые достаточно прочные, чтобы выдерживать нагрузку на кость. Однако жесткость этих материалов создавала огромную нагрузку для пациентов и не соответствовала критериям имплантации биоматериалов. Искусственные кости из металла и керамики, как правило, плохо работают с точки зрения биосовместимости, поскольку их трудно смешивать с костными тканями.[4] Таким образом, чтобы лучше помочь тем, кто нуждается в более комфортной жизни, инженеры разрабатывают новые методы производства и разработки более совершенных искусственных костных структур и материалов.

Двумя основными компонентами кости являются: гидроксиапатит [Ca10 (PO4) 6 (OH) 2] и коллагеновые волокна. Гидроксиапатит, который является одной из самых стабильных форм фосфата кальция, составляет от 60 до 65 процентов кости.[5] Остальная часть кости состоит из материалов, в том числе сульфат хондроитина, кератансульфат и липид.[5] Расширенные исследования и знания об организации, структуре свойств коллагена и гидроксиапатита привели к многочисленным разработкам в области создания каркасов на основе коллагена в инженерии костной ткани. Структура гидроксиапатита очень похожа на структуру исходной кости, а коллаген может действовать как молекулярные нити и дополнительно улучшать биосовместимость имплантата.[6]

Обзор

Демография травмы костей

В Соединенных Штатах ежегодно регистрируется более 6,5 миллионов дефектов костей и более 3 миллионов случаев травм лица. Ежегодно во всем мире выполняется более 2,2 миллиона операций по пересадке костной ткани. Распространенными причинами костного трансплантата являются резекция опухоли, врожденная аномалия, травма, переломы, хирургическое вмешательство, остеопороз и артрит.[7] Согласно Национальному обследованию амбулаторной медицинской помощи (NAMCS), в 2010 году было около 63 миллионов посещений отделения ортопедической хирургии и около 3,5 миллионов посещений по поводу переломов в отделениях неотложной помощи в США. Среди 6,5 миллионов случаев перелома или дефекта костей: госпитализировано около 887 679 человек.[8]

Состав хитозана
Структура хитина

Актуальные направления костной пластики (типы костей, композиты)

Исследования типов материалов при костной пластике традиционно были сосредоточены на производстве композитов из органических полисахаридов (хитин, хитозан, альгинат ) и минералы (гидроксиапатит ). Альгинат каркасы, состоящие из сшитых ионов кальция, активно исследуются при регенерации кожи, печени и костей.[9] 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-Фратца обеспечивают уже существующую основу для размещения и изготовления.

Типы материалов

Получение хитина и хитозана из морских ракообразных

Материалы, подходящие для использования в искусственных костях, должны быть биосовместимыми, остеокондуктивными и механически прочными.[5] Гидроксиапатит часто используется в исследованиях искусственных костей, потому что он обладает биосовместимостью и остеокондуктивностью, необходимыми для эффективного и долговечного костного имплантата, но при этом довольно хрупкий,[5] и, кроме того, демонстрирует скорость растворения около 10 мас.% в год, что значительно медленнее, чем скорость роста вновь сформированной кости, что требует принятия мер по увеличению скорости ее растворения.[10] Для применений, в которых требуется материал с большей прочностью, наноструктурированный искусственный перламутр может использоваться из-за его высокой прочности на разрыв и Модуль для младших.[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 способность принимать сложные пористые формы, а также остеокондуктивность гидроксиапатита для создания композита, обладающего всеми тремя характеристиками.[5] Другие композиты, подходящие для использования в искусственной кости, - это композиты, в которых используется альгинат, биополимер, известный своими каркасными свойствами. Использование альгината в композитах включает хитозановые композиты для восстановления костной ткани, композиты из биостекла для восстановления или замены дефектной или пораженной кости или керамико-коллагеновые композиты для регенерации кости.[9] Материал, используемый в имплантате искусственной кости, в конечном итоге зависит от типа создаваемого имплантата и его использования.

Струйная печать искусственных костей

Струйная печать становится эффективным способом изготовления искусственных костей. Во-первых, модель кости создается посредством реконструкции изображений компьютерной томографии, полученных от пациента. Затем материалы из искусственной кости используются в качестве «чернил» для 3D-печати. В зависимости от разрешения трансплантатов, трехмерная модель кости будет разделена на несколько слоев. Принтер печатал один слой, затем следующий за последним и, наконец, создавал искусственную кость. Последние исследования показывают, что нанокристаллы гидроксиапатита (ГА) являются идеальным материалом для искусственных костей, напечатанных на струйной печати. Нанокристаллы ГК синтезируются методом мокрого синтеза с использованием диаммонийфосфат и хлорид кальция как предшественники фосфора и кальция соответственно.[12] Более того, поликапролактон (PCL) также может использоваться для струйной печати для изготовления искусственной кости в некоторых отчетах об исследованиях. По сравнению с восстановлением поврежденных костей, технология 3D-печати может производить имплантаты, которые удовлетворяют индивидуальные потребности в ремонте. С другой стороны, методы 3D-печати позволяют создавать имплантаты с минимальным негативным воздействием на пациентов. Клетки-хозяева различной классификации, такие как лимфоциты и эритроциты, демонстрируют минимальный иммунологический ответ на искусственные трансплантаты.[13]

Преимущества

Свойства материала

Эффективные материалы-заменители костей должны обладать хорошей механической прочностью и адекватной биологической активностью. Биоактивность, которую часто измеряют с точки зрения скорости растворения и образования минерального слоя на поверхности имплантата in-vivo, можно повысить в биоматериалах, в частности гидроксиапатите, путем модификации состава и структуры путем легирования.[10] В качестве альтернативы гидроксиаптатитовым системам, хитозановые композиты были тщательно изучены как один из материалов, используемых для изготовления искусственной кости.[5] Хитозан сам по себе может быть легко преобразован в сложные формы, включающие пористые структуры, что делает его пригодным для роста клеток и остеокондукции.[5] Кроме того, хитозановые каркасы являются биосовместимыми и биоразлагаемыми, но имеют низкую прочность, а сам материал не является остеокондуктивным.[5] Гидроксиапатит, с другой стороны, обладает отличной биосовместимостью, но ему мешает его хрупкая природа.[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 может использоваться с углеродными нанотрубками, которые имеют высокий модуль Юнга (1,0–1,8 ТПа), предел прочности при растяжении (30–200 ГПа), удлинение при разрыве (10–30%) и коэффициент формы (> 1000).[5] Углеродные нанотрубки очень малы по размеру, химически и структурно стабильны и биоактивны.[5] Композит, образованный углеродными нанотрубками и хитозаном, значительно улучшает прочность хитозана.[5] Наноструктурированный искусственный перламутр - еще один вариант создания искусственной кости.[11] Натуральный перламутр состоит из органических и неорганических слоев, похожих на кирпич и строительный раствор.[9] Это наряду с ионным сшиванием плотно сложенных молекул позволяет перламутру иметь высокую прочность и жесткость.[9] Искусственный перламутр, который имитировал как структуру, так и эффект ионных связей, имел прочность на разрыв, подобную естественному перламутру, а также предельный модуль Юнга, подобный пластинчатой ​​кости.[11] С механической точки зрения этот материал был бы подходящим вариантом для искусственной кости.

Рассмотрение дизайна

Клинические результаты

Прежде чем внедрять дизайн на пациента, необходимо рассмотреть несколько аспектов конструкции любой искусственной кости. Имплантаты из искусственной кости, которые плохо подходят пациенту из-за таких событий, как оставление кости-реципиента нефиксированной, могут вызвать покраснение и отек в области реципиента.[3] Неподходящие имплантаты также могут быть вызваны: спекание, что может вызвать размерное сокращение имплантата до 27%.[15] Остеокондуктивность - еще один важный фактор при создании искусственной кости. Спеченные материалы увеличивают кристалличность фосфата кальция в некоторых искусственных костях, что приводит к плохой резорбции остеокласты и нарушенная биоразлагаемость.[15] В одном исследовании этого удалось избежать, создав искусственные кости, изготовленные по индивидуальному заказу с помощью струйной печати, в которых использовался α-трикальцийфосфат (TCP), материал, который превращается в гидроксиапатит и укрепляет имплантат без использования спекания.[15] Кроме того, α-TCP является биосовместимым и помогает формировать новую кость, что лучше для пациентов в долгосрочной перспективе.[3] Искусственные костные конструкции должны быть биосовместимыми, иметь остеокондуктивность и служить в течение длительного периода времени внутри пациента, чтобы быть жизнеспособным решением по сравнению с аутологичными и аллогенными костными имплантатами.

Вызовы

Свойства поверхности

Искусственные трансплантаты сохраняют сопоставимую прочность на сжатие, но иногда не имеют сходства с человеческой костью в ответ на боковые силы или силы трения.[16] В частности, топография искусственной кости неточна по сравнению с ее естественным аналогом. Согласно Grant et al., Искусственные костные трансплантаты, полученные путем наплавления, имели в среднем на 20% более низкий коэффициент трения по сравнению с реальной костью.[16] В то время как компьютерная томография и последующие модели костей позволяют точно определить внутренний состав реальной кости, конечный продукт зависит от разрешения принтера. В случаях, когда возникают дефекты принтера, наиболее вероятной проблемой является снижение прочности на сжатие из-за непреднамеренных пустот.[15] После имплантации очевидно снижение клеточной пролиферации и дифференциации по мере увеличения количества пациентов с возрастом. Это продлевает интеграцию трансплантатов и препятствует образованию костной ткани. В моделях на животных внедрение аллотрансплантатов вызывает тератома формирование. Еще неизвестно, значительно ли увеличится вероятность этого события.[2] Таким образом, необходимы строительные леса с другими биологическими агентами, чтобы имитировать каркас тела. Тип I коллаген, который составляет значительную часть органической массы кости, является часто используемым строительным агентом. Альтернативно, полимерный хитозан обладает аналогичным биологическим ответом, а именно стимулированием остеогенеза in vivo.[2]

Ограничения изготовления

Более современные методы изготовления включают струйную печать.[17] В одном исследовании 3D-струйный принтер произвел имплантаты аутотрансплантата для нижней челюсти 10 пациентов. Имплантат гидроксиапатита был изготовлен из трикальцийфосфат порошок, затвердевший после гидратации.[17] Хирургическая процедура была проведена как с эстетической, так и с функциональной точки зрения. Все пациенты выразили удовлетворение костным продуктом. В другом исследовании, в котором изучались копии козьих бедер, нанокристаллы гидроксиапатита были изготовлены и смешаны на месте перед загрузкой в ​​3D-принтер. Исследование отметило небольшое снижение прочности бедренной кости на сжатие, что можно объяснить несовершенной печатью и увеличением соотношения губчатая кость. В целом, методы 3D-печати позволяют создавать имплантаты с минимальными побочными эффектами у пациентов. Клетки-хозяева различной классификации, такие как лимфоциты и эритроциты, показал минимальный иммунологический ответ на искусственные трансплантаты.[2] Только в случае неправильной стерилизации или предшествующей предрасположенности к инфекции возникали какие-либо серьезные осложнения. Скорость печати является основным ограничивающим этапом в производстве 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 пропорционально увеличивается.

Биологический ответ

Исследования искусственных костных материалов показали, что биоактивные и рассасывающиеся силикатные стекла (биостекло ), стеклокерамика и фосфаты кальция обладают механическими свойствами, аналогичными свойствам костей человека.[18] Подобные механические свойства не гарантируют биосовместимости. Биологическая реакция организма на эти материалы зависит от многих параметров, включая химический состав, топографию, пористость и размер зерна.[18] Если материал металлический, есть риск коррозия и инфекция. Если материал керамический, ему сложно придать желаемую форму, а кость не может реабсорбировать или заменить его из-за его высокой кристалличности.[3] С другой стороны, гидроксиапатит продемонстрировал превосходные свойства в поддержке адгезии, дифференциации и пролиферации клеток остеогенеза, поскольку он является термодинамически стабильным и биологически активным.[18] Искусственные кости с использованием гидроксиапатита в сочетании с коллагеновой тканью помогают формировать новые кости в порах и имеют сильное сродство с биологическими тканями, сохраняя при этом однородность с прилегающей костной тканью.[3] Несмотря на отличные характеристики взаимодействия с костной тканью, гидроксиапатит имеет ту же проблему, что и керамика, в отношении реабсорбции из-за его высокой кристалличности. Поскольку гидроксиапатит обрабатывается при высокой температуре, маловероятно, что он останется в стабильном состоянии.[3]

Рекомендации

  1. ^ "ИСКУССТВЕННЫЕ КОСТНЫЕ трансплантаты: PRO OSTEON". Arthroscopy.com. Архивировано из оригинал на 2013-04-04. Получено 2013-11-16.
  2. ^ а б c d Каште, Шиваджи; Джайсвал, Амит Кумар; Кадам, Сачин (2017). "Шиваджи Каште, Амит Кумар Джайсвал, Сачин Кадам. (2017). Искусственная кость через инженерию костной ткани: текущий сценарий и проблемы". Тканевая инженерия и регенеративная медицина. 14 (1): 1–14. Дои:10.1007 / s13770-016-0001-6. ЧВК  6171575. PMID  30603457.
  3. ^ а б c d е ж Сайджо, Хидэто; Фуджихара, Юко; Канно, Юки; Хоши, Кадзуто; Хикита, Атсухико; Чунг, Унгил; Такато, Цуёси (2016). «Сайджо Х., Фуджихара Й., Канно Й., Хоши К., Хикита А., Чунг У., Такато Т. (2016). Клинический опыт изготовления полностью изготовленных на заказ искусственных костей для челюстно-лицевой области». Регенеративная терапия. 5: 72–78. Дои:10.1016 / j.reth.2016.08.004. ЧВК  6581837. PMID  31245504.
  4. ^ «Создание искусственных костей для более быстрой регенерации костей». Токийский технологический институт. Получено 2018-04-20.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Венкатесан, Джаячандран; Ким, Се-Квон (2010). "Venkatesan, J., & Kim, S.-K. (2010). Хитозановые композиты для инженерии костных тканей - обзор". Морские препараты. 8 (8): 2252–2266. Дои:10.3390 / md8082252. ЧВК  2953403. PMID  20948907.
  6. ^ Феррейра, Ана Марина; Джентиле, Пьерджиорджио; Хионо, Валерия; Чиарделли, Джанлука (2012). «Феррейра А. М., Джентиле П., Чионо В. и Чиарделли Г. (2012). Коллаген для регенерации костной ткани». Acta Biomaterialia. 8 (9): 3191–3200. Дои:10.1016 / j.actbio.2012.06.014. PMID  22705634.
  7. ^ Каште, Шиваджи; Джайсвал, Амит Кумар; Кадам, Сачин (2017). "Шиваджи Каште, Амит Кумар Джайсвал, Сачин Кадам. (2017). Искусственная кость через инженерию костной ткани: текущий сценарий и проблемы". Тканевая инженерия и регенеративная медицина. 14 (1): 1–14. Дои:10.1007 / s13770-016-0001-6. ЧВК  6171575. PMID  30603457.
  8. ^ "NAMCS: Информационный бюллетень-ОРТОПЕДИЧЕСКАЯ ХИРУРГИЯ". Центры по контролю и профилактике заболеваний. Получено 2018-04-20.
  9. ^ а б c d Венкатесан, Джаячандран; Бхатнагар, Ира; Манивасаган, Панчанатан; Канг, Кьонг-Хва; Ким, Се-Квон (2015). «Венкатесан Дж., Бхатнагар И., Манивасаган П., Канг К. и Ким С. (2015). Альгинатные композиты для инженерии костной ткани: обзор». Международный журнал биологических макромолекул. 72: 269–281. Дои:10.1016 / j.ijbiomac.2014.07.008. PMID  25020082.
  10. ^ а б Zhu, H .; и другие. (2018). «Наноструктурное понимание поведения растворения гидроксиапатита, легированного Sr». Журнал Европейского керамического общества. 38 (16): 5554–5562. arXiv:1910.10610. Дои:10.1016 / j.jeurceramsoc.2018.07.056.
  11. ^ а б c Тан, Чжиюн; Котов, Николай А .; Магонов, Сергей; Озтюрк, Бирол (2003). "Тан З., Котов Н. А., Магонов С., & Озтюрк Б. (2003). Наноструктурированный искусственный перламутр". Материалы Природы. 2 (6): 413–418. Дои:10.1038 / nmat906. PMID  12764359.
  12. ^ Фань, Чуньцюань; Ли, Цзяшунь; Сюй, Гохуа; Он, Хайлонг; Е, Сяоцзянь; Чен, Ююнь; Шэн, Сяохай; Фу, Цзяньвэй; Он, Даннонг (2010). "Fan, C., Li, J., Xu, G., He, H., Ye, X., Chen, Y., Sheng, X., Fu, J., He, D. (2010). Легкость изготовление композита нано-гидроксиапатит / фиброин шелка с помощью упрощенного способа соосаждения ». Журнал материаловедения. 45 (21): 5814–5819. Дои:10.1007 / s10853-010-4656-4.
  13. ^ Каште, Шиваджи; Джайсвал, Амит Кумар; Кадам, Сачин (2017). "Шиваджи Каште, Амит Кумар Джайсвал, Сачин Кадам. (2017). Искусственная кость через инженерию костной ткани: текущий сценарий и проблемы". Тканевая инженерия и регенеративная медицина. 14: 1–14. Дои:10.1007 / s13770-016-0001-6. ЧВК  6171575. PMID  30603457.
  14. ^ Чжоу, Хунцзянь; Ли, Джебом (2011). «Чжоу, Х. и Ли, Дж. (2011). Наноразмерные частицы гидроксиапатита для инженерии костной ткани». Acta Biomaterialia. 7 (7): 2769–2781. Дои:10.1016 / j.actbio.2011.03.019. PMID  21440094.
  15. ^ а б c d е Сайджо, Хидэто; Игава, Кадзуё; Канно, Юки; Мори, Ёсиюки; Кондо, Кайоко; Симидзу, Кутаро; Сузуки, Шигеки; Чиказу, Даичи; Иино, Мицуки; Анзай, Масахиро; Сасаки, Нобуо; Чунг, Унгил; Такато, Цуёси (2009). "Saijo H, Igawa K, Kanno Y, Mori Y, Kondo K, Shimizu K, Suzuki S, Chikazu D, Iino M, Anzai M, Sasaki N, Chung UI, Takato T. (2009). Реконструкция челюстно-лицевой области по индивидуальному заказу искусственные кости, изготовленные методом струйной печати ». Журнал искусственных органов. 12 (3): 200–205. Дои:10.1007 / s10047-009-0462-7. PMID  19894095.
  16. ^ а б Grant, J.A .; Bishop, N.E .; Götzen, N .; Sprecher, C .; Honl, M .; Морлок, М. (2007). "Грант, Дж., Бишоп, Н., Гётцен, Н., Спречер, К., Хонл, М., и Морлок, М. (2007). Искусственная композитная кость как модель губчатой ​​кости человека: имплантат-кость интерфейс". Журнал биомеханики. 40 (5): 1158–1164. Дои:10.1016 / j.jbiomech.2006.04.007. PMID  16806236.
  17. ^ а б Сюй, Нин; Е, Сяоцзянь; Вэй, Дайсю; Чжун, Цзянь; Чен, Ююн; Сюй, Гохуа; Он, Даннонг (2014). "Xu, N., Ye, X., Wei, D., Zhong, J., Chen, Y., Xu, G., & He, D. (2014). 3D-искусственные кости для восстановления костей, полученные с помощью компьютерной томографии -Направляемое моделирование наплавленного отложения для восстановления костей ». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 6 (17): 14952–14963. Дои:10.1021 / am502716t.
  18. ^ а б c Хоппе, Александр; Güldal, Nusret S .; Боккаччини, Альдо Р. (2011). "Hoppe, A., Güldal, N. S., & Boccaccini, A. R. (2011). Обзор биологической реакции на продукты ионного растворения биоактивных стекол и стеклокерамики". Биоматериалы. 32 (11): 2757–2774. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2011.01.004.