Кости составляют основу опорно-двигательного аппарата. Под прочной защитой костей находятся ценные структуры организма — костный мозг, в котором в течение всей жизни идет образование всех клеток крови и иммунитета, а также головной и спинной мозг, осуществляющие регуляцию всех функций организма.
Фото: flickr.com / Yussef
Фото: flickr.com / Yussef
Долгая эволюция создала совершенный механизм образования костной ткани в нашем организме — механизм остеогенеза. Он обеспечивает как ее постоянное обновление (физиологическую регенерацию или так называемое ремоделирование), так и восстановление после травм (репаративную регенерацию).
Кость формально можно назвать композиционным материалом, в состав которого входят органические вещества (основной белок-коллаген) и неорганические вещества (основные соли — кальция и фосфора). Два главных вида клеток — разрушающие кость (остеокласты) и формирующие кость (остеобласты) — трудятся в течение всей нашей жизни, обеспечивая обновление костной ткани и ее восстановление после травм.
Биоминерализацию белков могли осуществлять организмы уже более 600 млн лет назад. Раковины моллюсков, иглы морского ежа, наружный скелет членистоногих — результат этого процесса. Процесс биоминерализации коллагена при образовании костной ткани (то есть инкрустация его солями кальция, фосфора и некоторыми микроэлементами) эволюционно древний, с одной стороны, а с другой — находящийся под контролем нервной и гуморальной (через кровь с помощью биологически активных веществ и гормонов) систем. Кроме того, в костной ткани и костном мозге находится глубокий резерв организма — центральное депо стволовых клеток, замещающих в течение жизни состарившиеся или погибшие клетки во многих органах и тканях.
Изучение механизмов и процессов остеогенеза постепенно привело к пониманию того, какие материалы и конструкты на их основе нужно разрабатывать, чтобы осуществлять органотипическое (то есть с формированием типичного для этого органа структур) замещение костных дефектов. Этот подход называется биомиметическим.
Когда же может понадобиться помощь регенерационным процессам в костной ткани, если они такие совершенные, эволюционно древние? Есть такие ситуации. Во-первых, это так называемые костные дефекты, превосходящие по размерам критические, костные дефекты у пожилых людей с нарушениями кальциевого обмена и, наконец, костные дефекты у онкологических больных после химио- или лучевой терапии, когда регенерация затруднена.
То есть такие материалы востребованы при реконструктивно-пластических операциях в травматологии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии и, конечно, в онкологии.
Сегодня опухоли костей и метастазы в костную ткань не приговор. Их удаляют, замещая дефекты остеопластическими материалами. Полнота реабилитации у этой категории больных напрямую зависит от успехов в медицинском материаловедении.
История создания остеопластических биоматериалов насчитывает более 60 лет. Первое поколение таких материалов составляли биоинертные материалы, второе — биоактивные, биодеградируемые, третье — материалы для стимулирования специфических клеточных ответов на молекулярном уровне.
Золотым стандартом, тем не менее, остается использование аутологичной (собственной) костной ткани. Однако необходимость дополнительного оперативного вмешательства и недостаточное количество материала для закрытия крупных дефектов привели к идее использовать аллогенную (другого организма) костную ткань. Но при этом появилась опасность переноса от донора неидентифицированных инфекционных, а также аллергизирующих агентов. Материаловеды предложили использовать для этих целей синтетические кальций-фосфатные материалы, близкие по составу к неорганической составляющей костной ткани. Они широко применяются и сегодня, так как биосовместимы, обладают остеоиндуктивными (стимулирующими остеогенез) свойствами и используются клетками для построения новой кости. Однако оказалось, что они растворяются медленнее, чем образуется кость.
Неожиданный толчок в развитии биоматериалов дало изучение скелета кораллов. Он состоит из карбоната кальция, имеет особо прочную кристаллическую решетку-арагонит, сквозную пористость (что обеспечивает поток питательных веществ, газов, прорастание сосудов) и скорость биорезорбции сходную со скоростью остеогенеза. Он оказался блестящим материалом природного происхождения для замещения костных дефектов. Однако добыча кораллов ограниченна, и трудно стандартизировать их микроэлементный состав. Это привело к идее трехмерной печати для создания конструктов с целью замещения костных дефектов заданной формы, пористости и архитектоники поверхности, используя в качестве «чернил» кальций-фосфатные материалы.
Следующим этапом развития этого направления стала 3D-печать композиционных конструктов, содержащих как натуральную кость, так и органическую составляющую. В качестве таковой используют полимеры как природного (коллаген, альгинат, хитозан), так и синтетического происхождения. Еще более стимулировать остеогенез удалось при насыщении таких конструктов собственными стволовыми клетками из костного мозга, что открыло возможности изготовления персонализированных имплантатов заданной геометрии, пористости и архитектоники.
И, наконец, современные исследования в этой области посвящены разработке технологий функционализации таких 3D-конструктов биологически активными веществами (например, для пожилых людей или при крупных дефектах), антибиотиками (при открытых костных травмах, опасности инфицирования и развития воспалительных процессов) или противоопухолевыми препаратами. В последнем случае предполагается с помощью конструктов осуществлять адресную доставку химиопрепаратов с пролонгированным действием, что позволит снизить нагрузку системной (внутривенной) химиотерапии у онкологических больных.