Наноразмерные структуры широко представлены в живой природе: клеточная мембрана, АТФ, нуклеиновые кислоты, белки, аминокислоты и др. Наноструктурную организацию имеет костная ткань, раковины моллюсков и даже хлорофилл.

Нанокомпозиты и наноструктурные материалы играют важную роль в современной стоматологии, травматологии и ортопедии, так как сама кость является типичным примером нанокомпозита. Уникальность природных объектов побуждала людей к совершенствованию созданных нами структур, которые сегодня называют наноматериалами.

Такие наноматериалы органического и неорганического происхождения, как правило, имеют особые физические, химические, физико-химические, фармакологические свойства. По мере уменьшения размеров наноматериалов от 100 до 0,1 нм значительно повышается их биологическая активность.

Наноструктурная организация костной ткани

Кость — сложный орган, который выполняет механические и биологические функции. Костная ткань участвует в обменных процессах благодаря содержанию основной части минеральных веществ организма, создает специфическое микроокружение для предшественников клеток крови красного костного мозга.

В состав кости входят минерализованная костная ткань, костный мозг, эндост, периост, нервы, кровеносные сосуды и хрящевая ткань. Костная ткань имеет довольно сложную иерархическую структуру. Выделяют следующие уровни организации кости:

• макроструктурный: губчатая и компактная костная ткань;

• микростуктурный: гаверсова система, остеоны и трабекулы;

• субмикроструктурный уровень: отдельные костные пластинки;

• наноструктурный: гликозаминогликаны, кристаллы гидроксиапатита и др.

Экстацеллюлярний матрикс (ЭЦМ) костной ткани подчинен уровням организации, которые охватывают несколько порядков величин от нанометра до сантиметров. На наноуровне ЭЦМ представлен молекулярной структурой, которая состоит из трех основных компонентов: неорганического матрикса, органического матрикса и воды.

Неорганический матрикс содержит кристаллы минерала апатита, которые обычно называют гидроксиапатитом. Вопрос о точном составе минерала апатита остается спорным. Прошлые попытки изучения состава неорганической фазы с применением метода рентгеновской дифракции выявили кристаллическую структуру гидроксиапатита.

Однако ряд исследования с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и ядерного магнитного резонанса установили, что в составе минерала кости отсутствуют гидроксильные группы, а также имеются карбонатные ионы и кислые фосфатные группы, что указывает на присутствие карбонатапатита.

До настоящего времени существуют различные взгляды на распределение карбонатных ионов в кристаллах апатита, но признается, что это решетка гидроксиапатита. Кристаллы апатита, которые образуются в земной коре, формируют игловидные структуры, но карбонатные апатиты костной ткани формируют пластинчатые структуры.

Очевидно, эта особенность структура связана с инкорпорацией карбонатных ионов в решетку апатита, что влияет на процесс минерализации. Неорганические кристаллы апатита имеют в среднем 50 нм в длину, 25 нм в ширину и 2-3 нм в толщину

Важную роль в стабилизации размеров нанокристаллов апатита играют молекулы цитрата, которые были обнаружены с помощью ЯМР на поверхности кристаллов. Это приводит к формированию малых кристаллов, которые имеют лучшие механические свойства, а также способствуют более быстрой резорбции в процессе ремоделирования кости.

Основной составляющей органического матрикса костной ткани является коллаген I типа.

Молекула коллагена представлена закрученной вправо тройной спиралью тропоколлагена, которая содержит переплетенные две полипептидные α1 цепи и одну α2 цепь.

Эти структуры богаты глицином, пролином и гидроксипролином, обеспечивающими формирование тройной спирали. Боковая цепь глицина является единственным достаточно малым структурным элементом, который расположен внутри спирали трех полипептидов.

Субъединицы цепей удерживаются с помощью водородных связей между пептидными аминогруппами остатков глицина и пептидными карбонильными группами от соседнего полипептида. Тройная спираль коллагена имеет 300 нм в длину и 1,5 нм в ширину.

Сочетание многих молекул коллагена приводит к образованию фибрилл толщиной 50-200 нм в зависимости от типа коллагена. Поперечная полосатость волокна коллагена обуславливается периодически повторяющимися участками.

Расположение кристаллов апатита относительно фибрилл коллагена изучается длительное время. Было установлено, что 40-нанометровые промежутки между фибриллами коллагена заполнены минералом апатитом. При этом коллаген I типа выступает катализатором отложения кристаллов апатита in vivo.

Самосборка фибрилл коллагена приводит к образованию волокнистой сетки, импрегнированной кристаллами из неорганических веществ.

В состав органического матрикса костной ткани также входят протеогликаны (декорин, бигликан) и неколлагеновые белки. Наиболее распространенным неколлагеновым белком ЭЦМ костной ткани является остеонектин, который имеет многочисленные связующие участки для коллагена и кальция, а также выступает нуклеатором при образовании кристаллов гидроксиапатита.

Другой неколлагеновый белок костного матрикса, остеокальцин — витамин К-зависимый белок, который имеет сродство к кальцию и гидроксиапатиту; принимает непосредственное участие в процессе миграции остеобластов.

Остеопонтин — многофункциональный внеклеточный гликопротеин, участвующий в миграции клеток и регулировании отложения минерального вещества. Данный белок поддерживает общую структурное единство кости.

Важно понимать, что все процессы в костной ткани регулируются молекулярными наномасштабными взаимодействиями. Организация клеток и соответствующие свойства ткани зависят от структуры ЭЦМ. Например, коллаген не только обеспечивает механическую гибкость кости, но содержит пептиды, которые служат сигналами для клеток костной ткани.

Нанотехнологии в замещении костных дефектов

Клеткам костной ткани присуще взаимодействие с наноструктурными поверхностями, что делает структурированные на наноуровне биоматериалы для временного или постоянного замещения костной ткани наиболее перспективными с биологической точки зрения.

Длительные сроки восстановления костной ткани побудили ученых к поиску способов замещения костного дефекта с скорейшим восстановлением структурной целостности и функции кости. Сегодня можно выделить два направления исследований.

Во-первых, это улучшение свойств поверхности имеющихся металлических имплантатов. Металлы, в том числе титан, обладают значительной прочностью, что будет способствовать максимальной разгрузке пораженного участка.

С другой стороны, значительная разгрузка и отсутствие механической стимуляции костной ткани может негативно влиять на процессы восстановления, что проявляется, среди прочего, изменением фенотипического поведения остеобластов. Эти достаточно распространенные в стоматологии и ортопедии материалы не подвергаются биологическому разложению.

Вторым направлением исследований является разработка костных имплантатов из материалов, приближенных к костной ткани по своим механическим свойствам, но способных к биологической деградации с течением времени.

С этой целью широко изучаются кальций-фосфатные материалы, такие как гидроксиапатит, трикальция фосфат, бифазный кальция фосфат и мультифазное биостекло. Кроме того, синтетические и природные полимеры (полиэфиры, полипропиленфумарат, полиуретаны, полиэтиленгликоль, полиангидриды, коллаген и т.д.) считаются перспективными материалами для замещения костных дефектов.

Однако вышеприведенные материалы имеют несовершенные механические свойства.

Так, керамика является хрупкой, а полимеры, наоборот, относительно мягкими. С природными полимерами возникают трудности в плане получения и очистки.

Для максимального приближения механических свойств таких материалов к кости, а также регулирования времени биодеградации, предложены полимер-керамические нанокомпозиты. Вышеизложенные способы замещения костных дефектов стали основой для развития научного направления — тканевой инженерии костной ткани.

Этот относительно новое направление возникло в поисках перспективной альтернативы традиционным имплантатам и позволяет надеяться на улучшение лечения пациентов с заболеваниями или травмами костей и зубочелюстного аппарата.

В естественной костной ткани наномасштабные взаимодействия белков являются ключевыми для контроля функций клеток, то есть пролиферации, миграции и образования ЭЦМ. В связи с этим наноматериалы, которые начинают применять для тканевой инженерии костной ткани, должны отвечать ряду требований.

Требования к наноматериалам для замещения костных дефектов:

• обеспечивать временную механическую поддержку в пораженном участке;

• выступать субстратом для откладывания костного матрикса;

• иметь пористую структуру для васкуляризации и врастания костной ткани;

• способствовать миграции клеток внутрь имплантата;

• способствовать остеогенной дифференциации клеток-предшественников;

• повышать активность клеток кости и остеоинтеграцию;

• распадаться с определенной скоростью для постепенной нагрузки ткани;

• разлагаться без образования токсичных продуктов деградации;

• не вызывать воспалительной реакции в окружающих тканях;

• подлежать стерилизации без потери свойств;

• контролируемо доставлять биологически активные вещества или лекарственные средства для ускорения восстановления и предотвращения осложнений.

В связи с широкой распространенностью и биосовместимостью коллаген I типа и гликозаминогликаны костной ткани активно изучаются для создания природных и полусинтетических композитных материалов для тканевой инженерии костной ткани.

В исследованиях in vitro композит коллагена с гидроксиапатитом повышал адгезию и образование экстрацеллюлярного матрикса по сравнению с контролем.

Белки, например фибриноген и фибрин, которые попадают в область травмы с кровью, также изучаются как возможные материалы для тканевой инженерии. Это связано с их гемостатическими свойствами, а также способностью связывать клетки.

Также существует подход, который заключается в применении не целой молекулы белка, а наиболее важных в регуляции процесса восстановления аминокислотных последовательностей — пептидов.

Часто в рамках этой стратегии применяют пептид аргинин-глицин-аспартат, который обеспечивает взаимодействие клеток с нужными белками ЭЦМ, включая фибриноген, фибронектин, витронектин и остеопонтин.

В опытах с введением в состав имплантатов пептидной последовательности аргинин-глицин-аспартат было продемонстрировано умеренное улучшение функций остеобластов и клеток-предшественников остеогенеза, что проявлялось активизацией клеточной адгезии и миграции, а также минерализации костного матрикса.

Лучших результатов удалось достичь в случае применения селективных пептидных последовательностей, которые отвечают за адгезию остеобластов. Так, пептид глицин-фенилаланин-гидроксипролин-глицин-глутамат-аргинин в опытах in vivo значительно повышал функции остеобластов и остеоинтеграцию.

Еще одним направлением тканевой инженерии костной ткани является применение факторов роста и транскрипции. Этот подход основывается на том, что физиологические процессы, в частности, пролиферация клеток-предшественников, миграция в костную ткань и дифференциация в остеогенном направлении, происходят под воздействием специфических полипептидов. Последние в норме экспрессируются лишь в незначительных количествах и локально регулируют функции клеток.

Перспективы клинического применения наноматериалов

Введение в среду организма чужеродного вещества непременно приводит к запуску компенсаторно-приспособительных реакций, которые в целом направлены на вывод вещества из организма или отделение его от внутренней среды.

Как правило, это сопровождается воспалением, нарушением восстановления структуры и функций органа. Как разработать имплантат, который не вызывал бы реакций отторжения?

Идея клинического применения нанотехнологий для оптимизации поверхностей ортопедических и стоматологических имплантатов возникла благодаря пониманию наноразмерного строения экстрацеллюлярного матрикса.

В трехмерной структуре органические и неорганические компоненты костного ЭЦМ формируют среду, наполненную информационными сигналами для клеток костной ткани. Следовательно, успешная разработка и внедрение стоматологических и ортопедических имплантатов возможно лишь при условии взаимодействия тканей организма с введенным материалом, максимально приближенными к естественной ткани.

Основополагающий аспект — сходство их морфологии и состава на наноуровне. После реализации этого положения в экспериментах выявлено, что уменьшение размеров зерен кальций-фосфатной керамики улучшает функции клеток костной ткани.

В частности, по сравнению с обычными конструкциями нанокерамика, которая синтезирована из сферических нанометровых частиц глинозема, титана и гидроксиапатита, повышает клеточную адгезию остеобластов in vitro. Способность наноразмерной керамики способствовать функции клеток кости ограничена размерами зерен.

Так, повышенная активность остеобластов зафиксирована на поверхности керамики со сферическими частицами 60 нм и меньше. Кроме того, в наноразмерной керамике повышение отложения кальция остеобластами сопровождается ростом активности остеокластов, что способствует ускорению обменных процессов в ткани.

Влияние микрошероховатой керамической поверхности на остеоинтеграцию имплантатов показано в работах многих авторов. Клетки, выращенные на нанотубулярных поверхностях, демонстрируют большую способность к адгезии, пролиферации и формирования костного матрикса по сравнению с клетками, выращенными на ровных поверхностях.

Кроме того, материал с нанотубулярной поверхностью не вызывает воспалительной реакции и развития фиброза. Важным коммерческим подходом становится нанесение на поверхность стоматологических и ортопедических имплантатов керамического покрытия из наноструктурированного гидроксиапатита.

Это связано со значительной биосовместимостью и биологической активностью этого вещества, что обеспечивает естественную интеграцию между костью и имплантатом.

Такой принцип применяют западные производители. Однако нанесение на поверхности имплантатов высококачественного нанокристаллического покрытия из гидроксиапатита с соответствующими свойствами (микрошероховатость, структура и размер пор) в практическом плане весьма сложная и дорогостоящая задача.

Наиболее перспективной является методика покрытия ортопедических материалов методом электростатического распылительного отложения (electrostatic spray deposition, ESD) в связи с возможностью четкого моделирования морфологии и состава покрытия.

ESD позволяет создавать пористые покрытия с большей площадью поверхности, доступной для взаимодействия с белками, а также для направленной доставки лекарственных средств.

Заключение

Современные представления о строении костной ткани гласят, что кость — это типичный пример природного структурированного нанокомпозита, в котором объединены нановолокна и наночастицы, состоящие из органических и неорганических веществ.

Так как в основе роста и регенерации костной ткани лежат наномасштабных процессы, нанобиоматериалы являются адекватным решением проблем стоматологии, ортопедии и травматологии, а также реабилитации больных. Они могут обеспечить не только механическую стабильность, но и ускорять регенерацию костной ткани.

Нанотехнологии применяются для улучшения свойств существующих имплантатов, а также создания базы для инженерии костной ткани как отрасли тканевой инженерии. Хотя опыты in vitro и in vivo поддерживают применение нанобиоматериалов в медицине, необходимо дальнейшее изучение этой концепции для реализации их потенциала.

Полное воспроизведение структурно-функциональных особенностей кости на наноуровне в процессе создания костных имплантатов с помощью синтетических или полусинтетических наноматериалов обеспечит максимальное взаимодействие с живой тканью. Это может значительно улучшить результаты лечения.