Проект: «Новые биоматериалы для лечения дефектов костной ткани с эластичными свойствами»

Проект: «Новые биоматериалы для лечения дефектов костной ткани с эластичными свойствами»

Выполнили: студенты 311 группы Назаров Марк и Яковишина Ольга

Руководитель: Канарская Галина Петровна

2022

1.Введение

Цель данного проекта: формирование у читателей знаний и понятий о костных биоматериалах, требованиях к биоматериалам, о гидрогелях, их классификации, составе и свойствах, методах получения гидрогелей и о методах 3D-печати для получения биоматериалов.

Часто ли вы играете в футбол или занимаетесь активными видами спорта? Получали ли вы травмы при игре? Падали ли когда-нибудь с велосипеда или неосторожно оступались? С такими ситуациями может столкнуться каждый человек, в результате чего часто возникают проблемы с лечением переломов и дефектов костной ткани. При старении организма происходит ослабление костной массы, из-за чего повышается ломкость кости (так называемая болезнь остеопороз), что ведет к возникновению болезненных костных дефектов. При решении данных проблем ставится вопрос о создании новых биоматериалов, которые могли бы позволить снизить болевые ощущения от травмы и обеспечить восстановление натуральной костной ткани.

2.Виды и функции костной ткани

Костные ткани – это тип скелетной соединительной ткани с высокой минерализацией межклеточного органического вещества, содержащего около 70% неорганических соединений, главным образом фосфатов кальция, органические – 30%. В костной ткани обнаружено более 30 микроэлементов (медь, стронций, цинк, барий, магний и др.), играющих важнейшую роль в метаболических процессах в организме.

При изучении костной ткани следует также четко разделять понятия «костная ткань» и «кость».

Кость – это орган, основным структурным компонентом которого являются костная ткань.

Кость как орган состоит из таких элементов, как:

1) костная ткань;

2) надкостница;

3) костный мозг (красный, желтый);

4) сосуды и нервы.

Красный костный мозг рассматривается как самостоятельный орган и относится к органам кроветворения и иммуногенеза.

Функции костных тканей:

1) опорная;

2) механическая;

3) защитная (механическая защита);

4) участие в минеральном обмене организма (депо кальция и фосфора).

Существует два основных типа костной ткани: ретикулофиброзная (грубоволокнистая) и пластинчатая. Эти разновидности костной ткани различаются по структурным и физическим свойствам, которые обусловлены главным образом строением межклеточного вещества. К костной ткани относятся также дентин и цемент зуба, имеющие сходство с костной тканью по высокой степени минерализации межклеточного вещества и опорной, механической функцией.

3.Состав костной ткани

Скелет человека состоит из соединительных тканей: костной и хрящевой. Кость является основной частью опорной системы организма. На протяжении жизнь костная ткань постоянно видоизменяется. Существует три типа клеток, формирующих единый костный организм:

1.Остеобласты -основные функциональные клетки остеобразования, они отвечают за синтез и минерализацию костного матрикса. Покрывают поверхность кости, формируя остеоидный слой, который в основном состоит из полимеризованных коллагеновых цепей и впоследствии минерализуется в кость, благодаря отложению кальция и фосфор.

2.Остеоциты- играют важную роль в минеральном гомеостазе- процессе саморегуляции костной ткани.

3.Остеокласты- ответственны за резорбцию (те растворение в среде организма) кости. Скоординированные взаимодействия между остеобластами и остеокластами поддерживают нормальную костную массу и помогают росту кости.

4. Главной структурной единицей кости является остеон, который состоит из сосудисто-нервных каналов (гаверсовых каналов), окруженных концентрическими слоями кости, называемых ламелями.

4.Лечение поражений

При получении травмы важно снизить болевые ощущения и обеспечить восстановление натуральной костной ткани.

Наша костная ткань обладает способностью к самовосстановлению, однако при значительных размерах костных дефектов необходимо внешнее вмешательство, т.е. введение биоматериалов, для ускорения восстановления.

Костная ткань обладает сложным составом, и на данный момент ещё не разработан материал, который мог бы полностью заменить костную ткань и отвечал бы всем требованиям, предъявляемым к биоматериалам

Разработка новых биоматериалов является актуальной задачей материаловедения, и во всём мире активно ведутся работы по их изучению и совершенствованию. Создание таких материалов позволит повысить качеств о жизни людей за счёт уменьшения болезней, связанных с дефектами костной ткани, а также сократить сроки восстановления трудоспособности.

Для лечения дефектов костной ткани активно используют биоматериалы - это материалы, предназначенные для замены поврежденных участков организма.

Имплантаты для лечения дефектов костной ткани можно разделить на две большие группы:

1.Не поддающиеся биологическому разложению металлы и сплавы (например, титан, кобальт и их сплавы, сталь и т.д.).

Используются уже более 100 лет для заживления дефектов костей, но их необходимо удалять после процесса заживления или часто заменять во время повторной операции.

2. Биоразлагаемые материалы.

Н аиболее перспективными материалами для костных имплантатов являются биоразлагаемые материалы, которые рассасываются в организме человека и со временем могут быть заменены естественной костной тканью, что позволяет избежать повторных хирургических вмешательств.

5.Состав натуральной костной ткани

Натуральная костная ткань является композиционным материалом и содержит как органическую, так и неорганическую составляющие:

1.Органическая фаза.

Коллаген-обеспечивает упругость костей.

2.Неорганическая фаза.

Гидроксиапатит-отвечает за прочность кости, представлена фосфатами кальция, преимущественно гидроксиапатитом (ГАП).

5.1.Биокерамика

В качестве биоматериалов активно применяются биокерамика и биоцементы на основе фосфатов кальция (таких как ГАП, трикальцийфосфат (ТКФ) и т.д.), потому что они обладают отличными биологическими свойствами, а их состав схож с составом костной ткани.

Биокерамика на основе фосфатов кальция является нецитотоксичной, то есть не разрушает клетки, и поддерживает адгезию и распластывание клеток. При распластывании клетки стараются увеличить поверхность соприкосновения с материалом, что говорит благоприятном воздействии материала на клетки.

5.2.Экструзионная 3D печать

Для получения биоматериалов активно применяется экструзионный метод 3D-печати, который заключается в получении определенной конструкции путём выдавливания материала из сопла на столик.

Выдавливаемый материал направляется либо перемещением сопла над столиком, либо перемещением столика под соплом.

Для успешного построения 3D-структуры требуется, чтобы первый слой имел структурную целостность до того, как будет нанесен второй слой. Следовательно,

механические свойства гидрогелей сильно влияют на процесс экструзионной 3D- печати.

Моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) было разработано С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и получило коммерческое распространение в 1990 силами компании Stratasys, в числе основателей которой числится сам Трамп.

6.ЛИТЕРАТУРА

1.Регенерация костной ткани в норме и при патологии - А. И. Волотовский, Е. Р. Макаревич, В. Э. Чирак.

2. А.Е. Хомутов, Е.В. Крылова, С.В. Копылова - АНАТОМИЯ ЧЕЛОВЕКА, ОСТЕОЛОГИЯ.