Podpora kości

Tkanka kostna jest przykładem naturalnego kompozytu. Jej substancja zewnątrzkomórkowa zbudowana jest z części nieorganicznej – przede wszystkim twardego krystalicznego hydroksyapatytu (HAp) i części organicznej – osteoidu (do 25% masy tkanki kostnej) składającej się z elastycznych włókien kolagenu typu I i tzw. organicznej substancji bezpostaciowej. W dojrzałej kości kryształy hydroksyapatytu przybierają postać igiełek i płytek i ułożone są wzdłuż włókien kolagenowych. To właśnie taka organizacja struktury kości zapewnia im odpowiednie właściwości mechaniczne i pozwala dopasowywać je do warunków obciążenia. Hydroksyapatyt w organizmie ludzkim podlega ciągłym procesom rozpuszczania, hydrolizy i rekrystalizacji. W zależności od rodzaju kości, wieku czy sposobu odżywianiajego zawartość może wynosić od 60 do 80 procent masy kości.

Naśladowanie natury

Dzięki rozwojowi techniki i nauk chemicznych otrzymywanie syntetycznego hydroksyapatytu nie stanowi dziś problemu. Najczęściej wykorzystuje się do tego celu metody chemii mokrej. Syntezę hydroksyapatytu prowadzi się wówczas w roztworach lub zawiesinach, a substratami są zwykle kwasy i zasady lub też sole wapniowe i fosforanowe.

W ten sposób otrzymuje się głównie amorficzny hydroksyapatyt. Natomiast stosując wyższe temperatury (120-300°C) i parę wodną pod ciśnieniem (tzw. metoda hydrotermalna) można uzyskać hydroksyapatyt o dużym stopniu krystaliczności. Hydroksyapatyt można też otrzymywać wykorzystując metody suchej chemii, topnikowe i zol-żel.

Uzyskany w ten sposób proszek hydroksyapatytu może być w tej postaci bezpośrednio wykorzystany jako składnik mas stomatologicznych, cementów kostnych czy materiałów kompozytowych lub posłużyć do wytworzenia specjalnych powłok na implantach przy pomocy technik takich jak: rozprysk termiczny, nanoszenie plazmowe, ablacja laserowa czy chemiczne osadzanie z fazy gazowej.

Połączenie z kością

Wbrew pozorom sam hydroksyapatyt nie jest zbyt wytrzymałym materiałem. Charakteryzuje się dużą kruchością i samodzielnie nie nadaje się do przenoszenia dużych obciążeń. Pod kątem właściwości mechanicznych hydroksyapatyt jest wykorzystywany w roli wypełniacza mogącego wzmocnić mniej wytrzymały, ale za to bardziej elastyczny materiał. Atrakcyjność hydroksyapatytu wynika przede wszystkim z jego biozgodności i zdolności do bezpośredniego wiązania się z tkanką kostną. Możliwość tworzenia trwałego połączenia z kośćmi wykorzystuje się w ortopedii, głównie poprzez nanoszenie powłok na metalowe implanty i w stomatologii na przykład wypełniając hydroksyapatytem ubytki i stymulując w tym miejscu kość do wzrostu.

Od pasty do zębów po wypełnienia zmarszczek

W stomatologii hydroksyapatyt jest stosowany w postaci proszków lub porowatych bloków. Wypełnia się nim ubytki kostne będące skutkiem amputacji fragmentu kości związanej np. z nowotworem. Takie zastąpienie ubytku to gwarancja wytworzenia trwałego, wytrzymałego połączenia z kością. Jako składnik past do zębów, żeli i płynów do płukania hydroksyapatyt ma z kolei przeciwdziałać nadwrażliwości zębów i niedoborom jonów.

Szkliwo jest narażone na ciągłe procesy niszczenia i demineralizacji pod wpływem działania kwaśnego środowiska. Już od początku XX wieku przeciwdziała się temu zjawisku dodając do past fluor. Wbudowywanie się jonów fluoru w hydroksyapatyt sprawia, że jest on mniej podatny na rozpuszczanie. Nową drogą walki z mikroubytkami szkliwa jest dodanie do pasty hydroksyapatytu, który wbudowuje się w strukturę zęba i w ten sposób przeciwdziała ich nadwrażliwości.

Endoprotezy stawów kolanowych i biodrowych to coraz częstsza forma leczenia w przypadku ciężkich schorzeń uniemożliwiających chorym normalne funkcjonowanie. Wykonane ze stali nierdzewenej, stopów tytanu lub kobaltu  wszczepy bardzo dobrze spełniają swoją rolę pod względem mechanicznym, jednakże brak im jednej cechy, którą posiada hydroksyapatyt – zdolności do bezpośredniego wiązania się kością. Zalety hydroksyapatytu wykorzystuje się pokrywając endoprotezy powłokami HAp. Takie podejście zapobiega pojawieniu się reakcji zapalnej czy „obluzowywaniu się” endoprotezy, które niejednokrotnie prowadzi do powtórnej operacji. Takie samo podejście stosuje się przy wytwarzaniu implantów stomatologicznych.

Hydroksyapatyt znajduje też zastosowanie w inżynierii tkanowej – stosunkowo nowej dziedzinie zajmującej się wytwarzaniem biodegradowalnych rusztowań pomagających odbudować daną tkankę. Dodany do polimerowych rusztowań HAp nie tylko zapewnia trwałe, biologiczne połączenie między materiałem i tkanką, ale i wzmacnia go mechanicznie.

Hydroksyapatyt i działanie przeciwzmarszczkowe? Okazuje się, że tak. Bardzo ciekawym i mniej szablonowym zastosowaniem hydroksyapatytu jest medycyna estetyczna. Specjalistyczne kliniki posiadają w swojej ofercie wypełniacze składające się z żelowej matrycy z zawieszonymi w niej mikrokuleczkami HAp. Tu warto wspomnieć, że kluczem tak bardzo „eksploatowanej” zdolności hydroksyapatytu do wiązania się z kością jest w istocie tworzenie połączeń z obecnymi w tkance kostnej włóknami kolagenowymi. W przypadku wypełniaczy hydroksyapatyt wykorzystuje się do stymulowania wzrostu włókien kolagenowych odpowiadających za jędrnosc skóry.

Powyższe przyklady pokazują jak szeroki jest zakres wykorzystania hydroksyapatytu w medycynie. Potencjał tego materialu jest już w dużej części wykorzystywany w praktyce, jednakże można być pewnym, że to jeszcze nie koniec, a nowe pomysły wdrożeniowe na przestrzeni nabliższych lat trafią z laboratoriów do codziennego życia.