„Nano“ v biomateriálech pro regeneraci kostní tkáně

Materiálový výzkum získal nový impuls poznáním možností vyplývajících ze specifických vlastností materiálů v jejich submikronové formě – nanočástic a nanovláken. Díky velkému poměru povrchu a objemu mohou mít tyto nanomateriály nové vlastnosti a výhodnější použití např. také jako biomateriály. Pokud se tyto nanomateriály používají v kompozitech (skládají se alespoň ze dvou složek), jde o nanokompozity.

Kost je příkladem přírodního nanokompozitu. Obsahuje 60 hmotnostních % anorganické fáze na bázi kalcium fosfátu, 20 hmotnostních % kolagenu, 9 hmotnostních % vody, dále nekolagenní bílkoviny, sacharidy, lipidy a v neposlední řadě kostní buňky (osteoblasty), které produkují mezibuněčnou hmotu. Krystaly kalcium fosfátu jsou vázány na kolagenní vlákna.

Zatímco v minulosti se využívaly převážně kovy a jejich slitiny (viz schéma), v současné době jsou pro kostní implantáty užívány materiály v podobě trojrozměrných (3D) sítí či porézních materiálů, jejichž přípravou se zabýváme v ÚSMH. Před plánovanou operací mohou být tyto implantáty kolonizovány vlastními buňkami pacienta, odebranými biopticky a namnoženými v podmínkách buněčné kultury. Mohou být užity i kmenové buňky kostní dřeně, u nichž lze navodit diferenciaci v osteoblasty nejen humorálními faktory v kultivačním médiu, ale i fyzikálně-chemickou povahou materiálu implantátu.²⁾ Vlastní porézní rámec nanokompozitu je možné připravit z biokompatibilních (schopných přijetí živou tkání) a biodegradovatelných (jsou postupně odbourávány v organismu) polymerů (jako jsou např. kolagen, želatina, kyselina polymléčná, makroporézní hydrogely), doplněných nanovlákny (např. na bázi kolagenu) a nanočásticemi na bázi kalcium fosfátu. Dalším důležitým požadavkem je, aby byl materiál bioaktivní, tzn., aby navozoval a reguloval specifické reakce buněk. Nanostrukturou materiálu lze dosáhnout aktivnější adheze, růstu i diferenciace osteoblastů a preferenční adheze těchto buněk před jinými buněčnými typy.^4-7)

Nanokompozity pro kostní implantace je možné připravovat konvenčně mícháním nebo směšováním jednotlivých komponent a pomocí dalších technik jako např. napěňováním, vymražováním, či použitím pevného porogenu vytvořit trojrozměrnou strukturu implantátu. V současné době se dostávají do popředí zájmu implantáty biomimetické. Slovo „biomimetický“ je odvozeno z řeckých slov „bios“ znamenající „život a „mimesis“ – „imitace“.³⁾ Tyto implantáty tedy napodobují skutečný biologický systém ať už složením, strukturou nebo procesem, kterým byl připraven. Například minerální fáze není do nanokompozitů vmíchávána, ale je vyprecipitována přímo na povrchu kolagenových fibril.

V ideálním případě by materiál měl být pouze dočasným degradabilním nosičem, s postačujícími mechanickými vlastnostmi pro počátečné osídlení matrice buňkami do momentu, než buňky začnou produkovat vlastní nosnou funkční mezibuněčnou hmotu a dojde k přestavbě poškozené kostní tkáně. U degradabilních materiálů pak lze očekávat jejich úplné nahrazení regenerovanou a funkční kostní tkání.^4,5)

Vychází s podporou Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR, v. v. i., www.irsm.cas.cz.