Наночастица имитирует естественную среду формирования кости – Синтез

Керамические материалы на основе фосфата кальция (CaP) широко используются для восстановления и регенерации костной ткани, с применением при переломах и потере костной массы, вызванной, например, операциями по удалению опухолей или заболеваний, таких как остеопороз. Сегодня коммерчески доступная синтетическая керамика работает под натуральными тканями, взятыми у пациента или из банков тканей.

Таким образом, исследования сосредоточены на синтетическом воспроизведении состава, структуры и, следовательно, биологической функции материалов, ответственных за построение и регенерацию костей в организме человека и других живых организмов. Исследователи из Лаборатории физики и химии поверхностей и коллоидов в кампусе Рибейран-Прету Университета Сан-Паулу (USP) только что получили важные результаты в этом отношении с синтезом наночастиц фосфата кальция и стронция, аналогичных существующим структурам в наше тело.

Раковина моллюска, такого как моллюск или гребешок, и школьный мел сделаны из одного и того же материала – минерального карбоната кальция (CaCO3). Однако, как все мы знаем, легко превратить мел в порошок одной рукой, в то время как раковины известны своей механической прочностью.

Ответственность за это различие заключается в биоминерализации, процессе, при котором живые организмы производят минералы из химических элементов, удаленных из окружающей среды, в присутствии органических макромолекул. Так устроены наши кости и зубы, и сбои в этом процессе, в свою очередь, приводят к остеопорозу.

«Биоминерализацию отличает то, что это строго регулируемый процесс. Наши кости растут в местах, контролируемых матрицей, а не где-нибудь », – говорит Камила Буссола Товани, член группы USP. «Этот процесс очаровывает ученых, потому что он химически прост, но приводит к созданию сложных структур, которые люди все еще не могут воспроизвести в лаборатории», – делится он.

«Неорганическая часть наших костей образована минералом апатитом, фосфатом кальция, который мы можем производить в лабораторных условиях в форме гидроксиапатита. Однако апатит, биоминерализованный в организме человека из органической коллагеновой матрицы, имеет очень разные свойства, в том числе механическую прочность », – добавляет Ана Паула Рамос, руководившая докторскими исследованиями Товани.

Чтобы произвести наночастицы, исследователи искали вдохновение именно в естественных условиях производства наших костей и зубов.

В нашем организме постоянно происходят процессы регенерации костей. В них основной единицей, своего рода плесенью, в которой происходит биоминерализация, является фибрилла коллагена, цилиндрическая органическая матрица, в которой образование кристаллов фосфата кальция происходит в ограниченном пространстве и, таким образом, приводит к структурам, форма которых и размер контролируются. и четко определен.

Чтобы имитировать эту цилиндрическую форму, коммерчески доступная полимерная мембрана из поликарбоната с порами одинакового размера около 200 нанометров в диаметре, аналогичными по размеру фибриллам. Мембрана была погружена в раствор, содержащий фосфат, кальций и стронций, элемент, имеющий известное действие при регенерации и контроле потери костной ткани.

После того, как раствор проник в поры мембраны, сушку проводят в присутствии соединений, вызывающих минерализацию. Затем поликарбонат растворяется, оставляя цилиндрические наночастицы фосфата кальция и стронция.

При анализе этих наночастиц в лаборатории, в культуре остеобластов (клеток, ответственных за формирование костной ткани), исследовательская группа подтвердила их активность в регенерации тканей. «Помимо структурного и морфологического сходства с исходным костным матриксом, материал локально доставляет ионы стронция, которые регулируют активность клеток, важных в процессе формирования кости», – объясняет Рамос.

Упомянутые клетки представляют собой остеокласты, отвечающие за реабсорбцию костной ткани, активность которой повышается у людей с остеопорозом. Комбинация минерализованного фосфата кальция, который имитирует естественный процесс в ионах стронция, таким образом, привела к комбинации способности индуцировать биоминерализацию и контролировать активность остеокластов, которые вызывают потерю плотности костной ткани за счет ее реабсорбции.

Исследователи говорят, что следующие шаги – это тесты с наночастицами, применяемыми в полимерных матрицах, которые используются для устранения более крупных дефектов, а также добавляются в зубные пасты для лечения гиперчувствительности дентина. «Частица в виде спрессованного порошка уже может применяться при ремонте небольших дефектов, например, в ортодонтическом имплантате. Матрицы из других материалов используются в трансплантатах, где необходима поддержка, например, в большеберцовой кости », – объясняет Рамос.

Еще одна проблема – налаживание партнерских отношений для исследований на моделях животных, а затем и на людях. «Наука не делается одна. Мы занимаемся физико-химическими процессами, и мы не смогли бы применить производимые нами наночастицы для регенерации костей, если бы мы не работали в сотрудничестве с коллегами-биохимиками, врачами, фармацевтами », – подчеркивает профессор Фармакопеи США. «Кроме того, влияние полученных результатов показывает важность инвестиций в интернационализацию бразильских исследований, потому что они были возможны только благодаря партнерским отношениям, которые мы установили с учреждениями во Франции», – заключает он, записывая, что Товани сделал стажировка в Университете Сорбонны во время учебы в докторантуре, где сейчас работает постдокторантом.

Электронно-микроскопическое изображение наночастиц, синтезированных исследовательской группой

Электронно-микроскопическое изображение наночастиц, синтезированных исследовательской группой. На черном фоне наночастицы, которые кажутся сероватыми, образуют своего рода переплетение с волокнами, расположенными горизонтально.

Back to top button