Перелом кости является существенной проблемой общественного здравоохранения, и с возрастом резко возрастает потребность в регенерации кости.
Дефекты костей являются одной из основных причин заболеваемости и инвалидности у пожилых людей, что приводит к снижению общего состояния здоровья и качества жизни.
Существует острая необходимость в реконструкции костей, не только при переломах, связанных с остеопорозом, но также при травмах, врожденных пороках развития костей, заболеваниях скелета и резекции опухоли.
Во всем мире ежегодно проводится около 2,2 миллиона процедур костного трансплантата.
В большинстве случаев в настоящее время используются либо аутотрансплантаты, либо аллотрансплантаты. Хотя аутотрансплантация считается золотым стандартом, она сопровождается рисками заболеваемости донорских сайтов и ограниченной доступностью. С другой стороны, аллотрансплантация ограничена потенциальной инфекцией и высокой частотой несращения с тканями хозяина. Таким образом, инженерия костной ткани рассматривается в качестве многообещающей альтернативы, и важный подход включает использование наноструктурированных биоматериалов и стволовых клеток.
Использование наноструктурированных биоматериалов в регенерации костей основано на нативной архитектуре костей. Кость обладает сложной органо-неорганической нанокомпозитной структурой.
- Органическая фаза в основном состоит из коллагена типа I, который состоит из нановолокон диаметром от 50 до 500 нм.
- Неорганическая фаза состоит из нестехиометрических кристаллов гидроксиапатита (ГК) длиной около 100 нм, шириной 20–30 нм и толщиной 3–6 нм, которые встроены между коллагеновыми волокнами.
В 2011 году Европейская комиссия приняла следующее определение наноматериала - натуральный, случайный или изготовленный материал, содержащий частицы, в несвязанном состоянии или в виде совокупности, и где для 50% или более частиц в распределении по размерам, один или несколько внешних измерений находятся в диапазоне размеров от 1 нм до 100 нм.
Научные источники более широко используют префикс «нано», чтобы включить структуры, слегка превышающие от 100 нм до нескольких сотен нанометров.
Представляет большой интерес разработка биомиметических наноструктурированных каркасов для имитации нативной кости. Биоматериалы на основе фосфата кальция (CaP) представляют особый интерес, поскольку они имитируют основной неорганический компонент кости, являются биологически активными и могут образовывать тесные и функциональные контакты с соседней костью. Различные формы CaP широко изучены для исследования регенерации кости.
Обычно используемые CaP включают моногидрат монокальцийфосфата, безводный монокальцийфосфат, дигидрат дикальцийфосфата, безводный дикальцийфосфат, фосфат октакальция, α- и β-трикальцийфосфат (TCP), аморфный CaP (ACP), гидроксиапатит с дефицитом кальция. Используя различные синтетические методы, были изготовлены кристаллы нано-CaP с различными структурами, включая частицы, сферы, стержни / иглы / провода / волокна / листы / диски / хлопья / пластинки / полоски и различные 3D-архитектуры.
Важно отметить, что несколько отчетов показали, что биоматериалы с нано-CaP проявляют физико-химические и биологические характеристики лучше, чем CaP обычного размера, поскольку нано-CaP более сходны с нанокристаллами кости. Таким образом, нано-CaPs имеют большой потенциал для восстановления и увеличения костной ткани.
Наноструктурированные CaP биоматериалы и каркасы имитируют натуральную кость и имеют высокое отношение поверхности к объему, улучшенные смачиваемость и механические свойства, а также повышенную адсорбцию белка и другие желательные свойства по сравнению с обычными аналогами.
Биоматериалы Nano-CaP стали перспективным классом биомиметических и биоактивных каркасов, способных управлять поведением клеток и их судьбой, а также улучшать формирование тканей.
- В целом, каркасы из нано-CaP могут поддерживать прикрепление и пролиферацию стволовых клеток и индуцировать остеогенную дифференцировку, в некоторых случаях без остеогенных добавок.
- Влияние нано-CaP на выравнивание клеток менее заметно, чем у полимеров и металлов, из-за неравномерного распределения кристаллов нано-CaP.
- Биоматериалы Nano-CaP могут значительно улучшить регенерацию кости чем обычные CaP биоматериалы.
- Комбинация различных типов стволовых клеток с каркасами нано-CaP может дополнительно ускорить регенерацию кости, эффект которой может быть еще более усилен путем включения фактора роста.
- Микрокапсуляция клеток в сочетании с каркасами из нано-CaP является многообещающим инструментом для применения в инженерии костной ткани для распределения клеток по каркасу внутри каркаса.
Необходимы дальнейшие исследования для сравнения различных типов композиций нано-CaP и наноструктур и сравнения различных типов стволовых клеток по эффективности регенерации кости.