Zol-żelowe rusztowania biokompozytowe dla regeneracji tkanki kostnej

W ciągu ostatniej dekady nastąpił gwałtowny rozwój inżynierii biomateriałów, inspirowany rosnącym zapotrzebowaniem na materiały zastępujące chory bądź uszkodzony organ oraz stymulujące regenerację tkanek. Tematyka naszych badań, z pogranicza chemii oraz inżynierii materiałowej, dotyczy funkcjonalnych materiałów kompozytowych, należących do III generacji biomateriałów - materiałów bionicznych, które mogą być stosowane jako protezy układu kostnego człowieka.
Naszych celem było opracowanie optymalnej metody funkcjonalizowania organiczno-nieorganicznych biomimetycznych materiałów kompozytowych, wcześniej otrzymanych i scharakteryzowanych w naszym zespole. [1] Materiały kompozytowe otrzymano techniką zol-żel, która zapewnia równomierną dystrybucję wprowadzonych substancji w matrycy, a następnie formowano w trójwymiarowe rusztowania (skafoldy, ang. scaffolds) techniką odlewania połączonego z wymywaniem cząstek, z użyciem cukru i węglanu amonu, jako porogenu i czynnika modyfikującego powierzchnię. [1]
Trójwymiarowe skafoldy (RYS.1a i b) posiadają morfologię analogiczną do kości gąbczastej – system połączonych, otwartych porów o wielkości 150–300 μm oraz chropowatość w zakresie 0.2–7 μm - cechy te stwarzają możliwość adhezji i proliferacji komórek oraz stwarzają możliwość funkcjonalizowania. Wprowadzanie do matrycy czynników funkcjonalizujących, głównie cząsteczek organicznych, ma na celu wzbogacanie lub zmianę charakteru wyjściowego materiału np. zmianę rozpuszczalności materiału, lub efektywniejsze wiązanie czynników wzrostu czy leków. Najbardziej ciekawe z punktu widzenia medycyny regeneracyjnej są badania nad wprowadzaniem substancji farmakologicznie czynnych do matrycy kompozytowej, co prowadzi do otrzymywania układów o kontrolowanym dostarczaniu leków do miejsca przeznaczenia (DDS–ang. drug delivery system), a trójwymiarowe biomateriały układu kostnego wydają się być doskonałym nośnikiem dla cząsteczek leków.
Biokompozyty zostały otrzymane techniką zol-żel z wykorzystaniem komponentów organicznych: poli(metakrylanu 2-hydroksyetylu) (HEMA) i etenylotrietoksysilanu (TEVS). Substraty zostały wybrane ze względu na obecność ugrupowań winylowych, które oprócz polimeryzacji z utworzeniem wiązań C-C, mogą tworzyć połączenia typu cross-linking –(-O-CH2-Si-O-)n, odpowiedzialne są za powstawanie mezoporowatej matrycy kompozytowej. Z kolei, obecność grup alkoksylowych w związku krzemu umożliwia hydrolizę i polikondensację z utworzeniem sieci połączeń –Si-O-Si– oraz grup silanolowych ≡Si-OH. Obecność tych ugrupowań inicjuje wymianę jonów pomiędzy płynem biologicznym a materiałem, co także umożliwi krystalizację związków bogatych w wapń i fosfor na amorficznej powierzchni kompozytu (głównie HAp) (RYS.2).
Biorusztowania materiałów kompozytowych zostały także poddane procesowi syntetycznego pokrywania hydroksyapatytem (HAp), reakcja typu „one-pot” przeprowadzona była w nieskomplikowany i efektywny sposób. [4] Obrazy SEM (RYS.3) przedstawiają materiał równomiernie pokryty kryształami o kształcie przypominającym kwiaty („flower like shape”) - określenie to odnosi się do syntetycznego hydroksyapatytu. [3] Obecność grup ≡Si-OH na powierzchni badanych materiałów jest niezbędna dla procesu funkcjonalizowania, ponieważ grupy te oddziałują z cząsteczkami organicznymi, posiadającymi takie grupy funkcyjne jak aminowa czy hydroksylowa (R), tworząc wiązania wodorowe lub słabe oddziaływania (typu π-stacking). Matryca kompozytowa funkcjonalizowana była techniką współkondensacji („one-pot”) oraz sillilowania (RYS.4) z użyciem 3-aminopropylotrimetoksysilanu (APTMS) w atmosferze inertnej.
Następnie wprowadzano substancje farmakologicznie czynne należące do grupy Niesteroidowych Leków Przeciwzapalnych (NLPZów) tj. ibuprofen i meloksykam (RYS.5). Wybór tych leków podyktowany był faktem występowania stanów zapalnych w miejscach implementowania protez. Otrzymane skafoldy kompozytowe scharakteryzowane zostały za pomocą rentgenowskiej dyfraktometrii proszkowej (PXRD), Spektroskopii w Podczerwieni (FT-IR), Spektroskopii UV-VIS, Skaningowej Mikroskopii Elektronowej (SEM-EDS) oraz Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej (TEM-EDS).

Czasopismo: Engineering of Biomaterials
Dziedziny: nauki inżynieryjno-techniczne
Dyscypliny: inżynieria materiałowa