Специалистам / События / События (статья)

Биомиметические материалы – имитация природных структур

Биомиметические материалыВ последние годы в медицину, биологию, фармакологию, фармацию внедрено много новых понятий, одним из которых являются биомиметические материалы.

Биомиметические материалы (греч. «bios» - жизнь; «mimeticos» - наследовать, имитировать, повторять, подобный) представляют собой синтетические материалы, которые могут быть аналогами фрагментов тканей и органов или биологически активных продуктов метаболизма живых структур.

Биомиметические материалы – это макро-, микро- и наноразмерные структуры. Внедрение биомиметических материалов в медицину является перспективным направлением, потому что поможет создавать новые лекарственные средства, импланты, улучшить экологию внешней среды, интенсифицируя также решение экономических вопросов.

К биомиметическим средствам можно отнести синтезированные лекарственные средства, которые являются аналогами биологически активных соединений организма и внедрены в медицинскую практику. К ним можно отнести инозин (рибоксин), калия хлорид и оротат, магния сульфат и оротат (магнерот), таурин (дибикор), аденозин, кислоту глутаминовую, аргинина аспартат (тивортин), кальцияхлорид, глицеросфат, глюконат, цитрат, натрия хлорид, кораргин (рибоксин + аргинин), аспаркам (калия и магния аспарагинат), ритмокор (калия и магния глюконат), АТФ-лонг (калий, магний, АТФ, гистидин), адреналина гидрохлорид и гидротартрат, норадреналина гидротартрат, дофамин и другие.

Большая группа биомиметических материалов представлена наночастицами и нанкомпозитами, которые начинают внедрять в ортопедии и травматологии, регенеративной медицине, иммунологии и других направлениях медицины. Часто встречающиеся дефекты костной ткани у человека при опухолях, травмах не всегда способны к самостоятельному обновлению. Трансплантация тканей от донора имеет ряд недостатков, в том числе и ограниченность размеров материала, а порой и его сомнительные свойства. Одним из направлений исследований биомиметических материалов является выяснение возможностей их применения в имплантологии, что является чрезвычайно актуальной и важной проблемой, потому что при ее положительном решении будет обеспечено быстрое выздоровление и возвращение работоспособности пациентам с переломами костей.

Биомиметические материалы, содержащий наночастицы и их композиты, помогают разработке имплантов костной ткани, которые должны быть высокобиосовместимыми, эластичными, прочными, малотоксичными, а также содержать остеоиндуктивные факторы роста. Процесс минерализации биокомпозитных материалов происходит благодаря способности имитировать химический состав натуральной костной ткани. Создание нанокомпозита, который содержит два слоя кальция фосфата, а основой служат нановолокна желатина, обладающего капиллярным эффектом, интенсифицирует построение костной ткани. Наночастицы кальция фосфата, объединенные с аллотрансплантатом, способствует регенерации костной ткани благодаря активации остеобластов. С этой же целью используют наночастицы гидроксиапатита. На основе наночастиц гидроксиапатита создан нанокомозитный материал, в котором наночастицы гидроксиапатита выполняют вспомогательную роль, а основная резорбтивная роль принадлежит наночастицам трикальция фосфата, кальция пирофосфата и другим наночастицам кальция. Наночастицы гидроксиапатита объединяют с наночастицами титана, что способствует с одной стороны экспрессии генов, а с другой стороны – улучшает свойства костного имплантата, а именно придает ему шероховатость, пористость, способность абсорбировать протеины.

Последнее свойство интенсифицирует и облегчает регенерацию костей. Для модификации ортопедических и стоматологических имплантов вначале соединяют наночастицы гидроксиапатита с розетковыми наноструктурами, а затем покрывают их наночастицами титана. Наночастицы магния, инкорпорированные в титановые поверхности, повышают остеоинтеграцию имплантов. В тканевой инженерии для замещения участков повреждений, в том числе костей, можно использовать карбоновые нановолокна. Нановолокна предстваляют собой прекрасную основу костной ткани, обладая высокой пористостью, что приближает их к экстрацеллюлярному матриксу. На основе карбоновых нанотрубок, которые имеют нейтральный электрический заряд, клетки костной ткани растут и пролиферируют, заменяя дефекты костной ткани после удаления опухолей, травм, при врожденных дефектах.

Биомиметические материалы можно использовать для создания искусственных сосудов, клапанов сердца, хрусталиков глаза, элементов эндопротезов суставов, искусственных сухожилий, мышечных связок, деталей аппаратов искусственного сердца и искусственной почки.

Определенное значение в качестве биомиметических материалов имеют наночастицы полимеров и композиты на их основе. Следует отметить, что полимерные материалы (полиэтилен, полипропилен, фторопласт, силиконы, полиэтилен метакрилат и другие) не изменяют свои свойства при изменениях условий внешней среды (температуры, влажности и др.). Поэтому их можно использовать для создания искусственных сосудов, клапанов сердца, хрусталиков глаза, элементов эндопротезов суставов, искусственных сухожилий, мышечных связок, деталей аппаратов искусственного сердца и искусственной почки. На основе хитозана и гидроксиапатита разработан полимерный нанокомпозит для регенерации костной ткани. С этой же целью созданы полимерные нанокомпозиты на основе хитозана и карбоновых нанотрубок. Регенерацию костной ткани при применении данных композитов связывают с интенсификацией роста остеобластов и увеличением их плотности. Биомиметические материалы на основе полимерных композитов можно использовать в регенерационной медицине для замещения поврежденных тканей большинства органов.

Распространено мнение о рациональности построения композитов на основе поликогликолевой кислоты с поликапролактоном. Благодаря термостабильности подобных полимеров их можно использовать для регенерации органов желудочно-кишечного тракта, печени, почек, а также с целью визуализации при диагностике заболеваний в гасроэнтерологии, гепатологии, нефрологии. Композит на основе поликогликолевой кислоты в сочетании с наночастицами кальция фосфата проявляет выраженный остеотропный эффект. Полимерным наночастицам, как и наночастицам ряда металлов, принадлежит роль переносчиков лекарственных средств. Полисол, синтезированный на основе глицерола в сочетании с диоксидом кремния, может выступать в качестве переносчика доксорубицина гидрохлорида. Полистерола сульфат, покрытый слоем диоктадецил диметил аммония, как и кремнезем, покрытый слоем фосфатидилхолина, можно использовать в качестве транспортеров миконазола.

В настоящее время продолжаются разработки новых биомиметических материалов. Так, имеются результаты получения синетических тканей глаза, фрагментов сосудов. Усовершенствование методов разработки и тестирования свойств и структуры биомиметических материалов открывает перспективы создания принципиально новых образцов, которые имитируют процессы самоорганизации в биосистемах, например, активность биомоторов, таких, как АТФ, ДНК-полимеразы и других, а также установить пути и способы их энергообеспечения. Основной проблемой при создании синтетических биомиметических материалов является воспроизведение природной плазмалеммы, генома, систем синтеза и переноса энергии в живых клетках.

Известно, что стволовые клетки являются объектом исследования регенерационной медицины. Вместе с тем, существуют биомиметические материалы (нановолокна и другие), способные поддерживать клеточную толерантность стволовых клеток и способствовать их приживлению. Учитывая тот факт, что биомиметические материалы могут выступать в роли нанороботов, прототипов систем функциональных возможностей живых клеток, их дальнейшее создание, усовершенствование, разработки новых методов тестирования и исследования представляет важную медицинскую и социальную проблему.