Βιοϋλικά με βάση τη νανοτεχνολογία για ορθοπεδικές εφαρμογές

Γράφουν οι Αλεξάνδρα Πουρνάρα, Δρ. Σοφοκλής Μακρίδης*

Η νανοτεχνολογία αναφέρεται σε ένα πολυεπιστημονικό πεδίο στο οποίο οι ιδιότητες και οι δομές των υλικών χειρίζονται σε νανομετρική κλίμακα μέσω φυσικών, χημικών και βιολογικών οδών. Τα νανοϋλικά διαθέτουν νέες ιδιότητες που εξαρτώνται από το μέγεθος και οι οποίες συνήθως δεν ανιχνεύονται στα αντίστοιχα μεγέθη τους.

Η πρόοδος στη νανοτεχνολογία έχει ανοίξει νέες ευκαιρίες για πολυάριθμες εφαρμογές στην ιατρική, τη βιοτεχνολογία, τη μοριακή βιολογία και την επιστήμη του περιβάλλοντος .

Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στην ιατρική (π.χ. νανοϊατρική) έχει πραγματοποιηθεί με την ανάπτυξη αρκετών εξελιγμένων τεχνικών για την πρόληψη, τη διάγνωση και τη θεραπεία για πολλές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένης της θεραπείας του καρκίνου, ικριωμάτων για μηχανική ιστών, ιατρική απεικόνιση, χορήγηση φαρμάκων και ανοσοθεραπεία. Λόγω της ικανότητας να μιμούνται ή να αναπαράγουν τα συστατικά όργανα ενός φυσικού οστού, τα νανοϋλικά αποτελούν υποσχόμενους υποψήφιους για την κατασκευή μελλοντικών ορθοπεδικών εμφυτευμάτων .

Στις ορθοπεδικές εφαρμογές, η ζήτηση υποκατάστατων οστών είναι απαραίτητη για τη θεραπεία της μη αναστρέψιμης βλάβης του φυσικού και υγιούς οστού. Από την άποψη αυτή, τα νανοϋλικά μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο όχι μόνο παρέχοντας δομική υποστήριξη για το κύτταρο αλλά και με ρύθμιση του πολλαπλασιασμού, διαφοροποίησης και μετανάστευσης των κυττάρων.

Η αγορά βιομοσχευμάτων αυξάνεται εκθετικά με την ανάπτυξη του γηράσκοντος πληθυσμού, τις αλλαγές στον τρόπο ζωής (ειδικά εκείνες που προάγουν και διαιωνίζουν χρόνιες ασθένειες όπως οστεοαρθρίτιδα και καρδιαγγειακές παθήσεις), τεχνολογικές εξελίξεις στη βιοτεχνία και αυξημένη συνειδητοποίηση των καλλυντικών εμφυτευμάτων. Σύμφωνα με εκθέσεις των ερευνών αγοράς, η παγκόσμια αγορά βιομοσχευμάτων αναμένεται να αυξηθεί στα 115,8 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2020 με ένα σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) 10,3% κατά την εκτιμώμενη περίοδο (2014-2020).

Τα βιομοσχεύματα έχουν αναδειχθεί ως πολλά υποσχόμενη λύση για νευρολογικές διαταραχές, προβλήματα όρασης, καρδιαγγειακές παθήσεις, ορθοπεδικά προβλήματα, δυσμορφίες, οδοντικές διαταραχές και άλλες καταστάσεις.

Διαφορετικά βιομοσχεύματα όπως αντικαταστάσεις αρθρώσεων, αγγειακά μοσχεύματα, πλάκες οστών, ράμματα, βαλβίδες καρδιάς, συνδέσμους, οδοντικά εμφυτεύματα, ενδοφθάλμιοι φακοί και πολλά άλλα χρησιμοποιούνται συνήθως για

• την αντικατάσταση ή την αποκατάσταση της λειτουργίας των κατεστραμμένων ή αποσαθρωμένων ιστών,
• να τροποποιήσει τις λειτουργίες ενός μέρους σώματος,
• να βοηθήσει στην επούλωση και
• να διορθώσει τις παρατυπίες για καλλυντικούς σκοπούς.

Διάφορες τεχνολογίες μηχανικής έχουν αναφερθεί για να μιμηθούν τις φυσικές ιδιότητες, τα χημικά χαρακτηριστικά και την αρχιτεκτονική κλίση των οργάνων ή των ιστών μέσω της χρήσης συμβατικών μεταλλικών / μη μεταλλικών υλικών. Ωστόσο, οι σημαντικότεροι περιορισμοί των συμβατικών βιοσυγκολλητών είναι ότι δεν είναι πάντα συμβατοί με τους ιστούς και δεν είναι πάντα αποδεκτοί από το ανθρώπινο σώμα.
Τα τελευταία χρόνια, ο αντίκτυπος της νανοτεχνολογίας στον τομέα των εμφυτευμάτων άρχισε να αυξάνεται σημαντικά. Ειδικότερα, τα νανοϋλικά με βιολογικά εμπνευσμένα χαρακτηριστικά ωθούν τους ερευνητές να διερευνήσουν το ρόλο τους στη βελτίωση των επιδόσεων των συμβατικών εμφυτευμάτων. Αυτή η επισκόπηση καλύπτει την ιστορική εξέλιξη βιοϋλικών από συμβατικά (δηλ. Μεταλλικά και μη μεταλλικά) υλικά σε νανοϋλικά σε ορθοπεδικές εφαρμογές. Επιπλέον, συζητούνται εδώ οι διαφορετικές τεχνικές τροποποίησης της επιφάνειας (π.χ. νανο-μηχανική δομή επιφάνειας και επεξεργασίες). Αυτή η ανασκόπηση δίνει επίσης έμφαση στις αντιβακτηριακές στρατηγικές επεξεργασίας επιφανειών για τα βιοσυμβατά. Η διάγνωση των θεραπευτικών χώρων και η αποτελεσματική εμφύτευση είναι τα βασικά ζητήματα στις ορθοπεδικές θεραπείες. Προκειμένου να υπάρξει μια συνολική ανασκόπηση σε αυτόν τον εξαιρετικά αναπτυσσόμενο επιστημονικό τομέα, συζητούνται επίσης οι πρόσφατες τάσεις στα μείζονα ορθοπεδικά βιοϋλικά, συμπεριλαμβανομένων των πορώδους υλικών, των έξυπνων βιοϋλικών και των 3D εκτυπώσιμων νανοσύνθετων εμφυτευμάτων, μαζί με εμπορικές προκλήσεις. Αυτή η ανασκόπηση δημιουργεί μια υγιή πλατφόρμα για την ενσωμάτωση ορθοπεδικών εμφυτευμάτων που κατευθύνονται από τη νανοτεχνολογία στο ανθρώπινο σώμα.

Νανοτεχνολογία για ορθοπεδικά εμφυτεύματα

Τα νανοϋλικά έχουν εξεταστεί για εφαρμογές βιομοσχευμάτων λόγω των επιδεκτικών επιφανειακών ιδιοτήτων τους και της βιοδραστικής φύσης τους. Τα νανοϋλικά προσφέρουν αυξημένη επιφάνεια, αποτελεσματική ακαμψία, τραχύτητα και αλλοιωμένες φυσικοχημικές ιδιότητες για να ενισχύσουν

• την προσκόλληση,
• τον πολλαπλασιασμό,
• τη σύνθεση πρωτεϊνών σχετιζόμενων με τα οστά και
• την εναπόθεση μεταλλικών στοιχείων που περιέχουν ασβέστιο.

Επειδή τα νανοϋλικά μπορούν να μιμηθούν τις αναλογίες συστατικών του βιολογικού οστού, αυτά τα υλικά είναι πολλά υποσχόμενα σε υποψήφιους  ορθοπεδικών εμφυτευμάτων. Για παράδειγμα, τα νανοδομημένα πολυμερή και τα σύνθετα υλικά έχουν διερευνηθεί ευρέως στη μηχανική των οστικών ιστών για την ενίσχυση των λειτουργιών των οστεοβλαστών, την προώθηση της οστεοενσωμάτωσης και την υποστήριξη της επούλωσης ασθενειών που σχετίζονται με τα οστά . Η επιλογή νανοδομών όπως οι κβαντικές κουκίδες , οι νανοσωλήνες,  οι νανοοργανισμοί , οι νανοπυρήνες , οι nanorods, τα μεταλλικά πλαίσια  κ.λπ. είναι σημαντικό να εξεταστεί, προκειμένου να διασφαλιστεί η λειτουργικότητα και η αξιοπιστία των εμφυτευμάτων.

 

Έχουν διεξαχθεί αρκετές μελέτες για να διερευνηθούν οι ευνοϊκές επιφανειακές ιδιότητες των νανοδομημένων υλικών που μπορούν να προάγουν ή να διευκολύνουν:

• μια μεγάλη ποσότητα συγκεκριμένων αλληλεπιδράσεων πρωτεϊνών,
• καλύτερη σύνδεση οστεοβλαστών, και

καλή διαφοροποίηση και μετανάστευση οστεοβλαστών για πιο αποτελεσματική ανάπτυξη νέου οστού από τα συμβατικά υλικά.

*Αλεξάνδρα Πουρνάρα, Ειδική στα Φαρμακευτικά Προϊόντα, Μηχανικός Περιβάλλοντος, Integrated Master, Πανεπιστήμιο Πατρών

Δρ. Σοφοκλής Μακρίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πανεπιστήμιο Πατρών