Regeneracja tkanki kostnej

Regeneracja tkanki kostnej z wykorzystaniem inżynierii tkankowej opiera się na trzech elementach: komórkach macierzystych, substancjach rozpuszczających oraz biomateriałach. Najczęściej biomateriały wytwarzane są na podobieństwo rusztowań, które ułatwiają wzrost komórek i ostateczną naprawę i odbudowę tkanki kostnej. Można wykonać również posiew komórek tkanki wewnątrz rusztowania z biomateriału w celu wytworzenia tkanki zastępczej, która po wszczepieniu funkcjonuje dokładnie tak samo, jak oryginalna tkanka gospodarza. Wszystkie używane materiały powinny być osteokondukcyjne, osteoindukcyjne, osteogeniczne, degradowalne i posiadać właściwości mechaniczne, zbliżone do właściwości miejsca wszczepienia. Osteokondukcja i osteoindykcja określają zdolność materiału do promowania rozmnażania się odpowiednich komórek, aby zapewnić powstanie zmineralizowanej tkanki. Osteogenność to zdolność materiałów do promowania tworzenia kości na nowo, natomiast degradowalność jest konieczna ze względu na ciągłe zmiany i przebudowywanie, zachodzące w tkance kostnej.

Te wymagania spełniają materiały pochodzenia naturalnego i syntetycznego. Najpopularniejszym materiałem naturalnym są mikrowłókna kolagenowe, pokryte fosforanem trójwapniowym. Zapewniają one zarówno dobrą osteokondukcję, jak i osteoindukcję. W przypadku materiałów syntetycznych wykorzystuje się głównie poli(α-hydroksyestry). Ich stosowanie umożliwia większą kontrolę nad właściwościami powierzchniowymi, geometrią oraz kontrolowaniem rozpadu, niż w przypadku materiałów naturalnych. W wyniku ich degradacji mogą jednak powstawać kwasy karboksylowe, które mogą powodować stan zapalny u pacjentów. Materiały pochodzenia syntetycznego to również hydroksyapatyt na bazie fosforanu trójwapniowego oraz bioszkło. To właśnie bioszkło jest przedmiotem najnowszych badań naukowców z Indii, którzy na jego podstawie opracowali innowacyjny materiał.

Tlenek grafenu i bioszkło jako substytut kości

Bioszkło przyciągnęło uwagę naukowców ze względu na dobre zdolności do promowania rozwoju komórek oraz możliwość precyzyjnego kontrolowania rozkładu. Dodatkowo powoduje tworzenie mechanicznie mocnych tkanek kostnych poprzez miękkie wiązanie się z macierzą kostną. Materiał ten składa się z dwutlenku krzemu, tlenku wapnia i pięciotlenku fosforu. Tlenek grafenu wyróżnia się spośród innych nanomateriałów dzięki wyjątkowym właściwościom mechanicznym, fizykochemicznym oraz dużej powierzchni właściwej. Z badań wynika, że gdy komórki były hodowane na nanomateriałach, opartych na grafenie, ich przyleganie i namnażanie było znacznie lepsze w porównaniu do samych materiałów, opartych na krzemie. Nanocząstki tlenku grafenu pomagają w budowie rusztowania osteokondukcyjnego, promującego przyleganie i proliferację komórek, co znacznie przyspiesza i ułatwia regenerację tkanki kostnej. Tlenek grafenu nie tylko naśladuje macierz zewnątrzkomórkową kości, ale również mechaniczne i chemiczne właściwości kości, jednocześnie promując różnicowanie i regenerację komórek. Pomaga też w transporcie czynników wzrostu. Oprócz tlenku grafenu i bioszkła w materiale, opracowanym przez badaczy z Indii, znajduje się także chitozan i żelatyna. Chitozan charakteryzuje się właściwościami przeciwzapalnymi, jest biodegradowalny i biokompatybilny, nietoksyczny oraz przyspiesza gojenie się ran. Żelatyna zapewnia elastyczność opracowanego materiału i jest elementem wiążącym tlenek grafenu.

Przeprowadzone badania pokazały, że materiał ten wykazuje znaczne zwiększenie tempa rozmnażania się komórek, jednak istnieje maksymalne stężenie tlenku grafenu, jakie można umieścić w materiale. W przypadku zbyt dużego stężenia następowało znaczne spowolnienie proliferacji, co sugeruje, że tlenek grafenu jest cytotoksyczny w zbyt dużej dawce. Wytrzymałość mechaniczna i termiczna opracowanego materiału wzrosła po dodaniu tlenku grafenu, co również jest działaniem korzystnym. Tlenek grafenu wpływa ponadto na czas rozkładu materiału, natomiast można nim sterować za pomocą stężeń chitozanu i żelatyny.