Тығыз сүйек пен тіс дентинінің механикалық қасиеттері

Қазіргі заманғы медицина жасанды импланттантарсыз-закымдалған ұлпалар мен мүшелердің орнын басатын биоматериалсыз мүмкін емес. Ұлпа инженериясына арналған материалдарды жасау мәселесі әлем халықтарының қарқынды қартаюын ескергенде, әсіресе өзекті болып табылады. Қазіргі кезде қажет биоматериалдар мөлшері ондаған тонна деңгейінде бағаланады, соның ішінде сүйек ұлпасының ақауларын қалпына келтіруге арналған имплантанттар көп үлеске ие.

Сүйек имплантанттарына қойылатын талаптар өте күрделі және қарама-қайшы екенін ескеру қажет: материал жоғары беріктілікке, аз 10 юнг модуліне(-20 ГПа), оптималды кеуектілікке (қуыстар диаметрі 150- 200 мкм, сүйек ұлпасының жетілуін және тез резорбцияны қамтамасыз ету үшін) ие болуы тиіс, ол ағза ұлпаларымен биохимиялық және механикалық үйлесімді болуы қажет, ал идеалды жағдайда сүйектің табиғи түрде қалпына келу үдерістерін - остеосинтезді, материалдың тез биодеграциясын және оның өсіп келе жатқан сүйек ұлпасымен алмасуын қамтамасыз ету арқылы, ынталандыруы тиіс.

Биоматериалдар мен сүйек минералының химиялық және морфологиялық сәйкестігі биомедициналық мақсаттағы жаңа материалдарды кұрастырудың негізінде жатқан негізгі принциптерінің бірі болып табылуына негіз бар деп санауға болады. Бұл тұрғыда химиялық құрамы мен гранулометриясы сүйек биоминералы-мөлшері 40х20х 5 нм пластиналар түріндегі кристалдары мен бөлшек жазықтығында жатқан нанокристалл өсі бар стехиометриялық емес гидроксилапатитке ұқсас материал идеалды болып табылады. Өкінішке орай, сүйек ұлпасының морфологиясын дәл қайталау (сәйкесінше, жоғары механикалық касиеттерге жету) қазіргі кезде мүмкін емес, зерттеушілер негізгі көңілді берілген биобелсенділігі бар биоматериалдардың бағытталған синтезіне бөлуде.

Ортопедияда сүйектің минералды құрамдас бөлігіне химиялықұқсас, бірақ ағзада баяу резорбцияланатын гидроксилапатит Са,(РО,) (ОН), (ГАП) пен үшкальцийлі фосфат Са (РО,), (кристалиттер мөлшері 5 мкмден жоғары) негізіндегі жоғары температуралық «керамика»-цементтер - әдеттегі керамикамен салыстырғанда біркатар артықшылықтарға ие. Цементті жүйелерде жеңіл резорбцияланатын нанокристалды апатит (бөлшектер мөлшері 10-50 нм) түзіледі, цементті массасы күрделі формалы сүйек ақауларына оңай бейімдеуге болады. Кальцийфосфатты цементтер биобелсенді және остеоиндуктивті (беттесуші ауданы маңайындағы жаңа сүйек ұлпасының белсенді өсуіне мүмкіндік береді). Бірак цементтер формасындағы кальций фосфаттары берік емес материалдар болып табылады, олардың иілуге беріктігі (1-5 МПа) қысуға беріктігінен (1-30 МПа) біршама төмен болады. Сонымен қатар, кальций фосфатты цементтер қуыстарының мөлшері --Імкм (кеуектілік 30- 60%) болады, бұл сүйек ұлпасының материал ішіне жетілуіне мүмкіндік береді.

Жаңа буын материалдары - сүйек ұлпасының аналогтары «ГАПполимер» типіндегі нанокомпозиттер болып табылады. Мұндай имплантанттардың құрамы мен механикалық қасиеттері көп мөлшерде сүйек ұлпасына жуық. Биоматериалдар нарығында алғашқылардың бірі болып ГАП/ полиэтилен композиті ұсынылды. Бұл материал жарықшаға беріктігі (жарықшалар таралуына кедергісі) бойынша сүйектен кем түспейді (ГАП мөлшері ғ-50%) және оған Юнг модулінің ұқсас мәндеріне 1-8 ГПа ие. Мұндай композит кемшілігі - оның аз биодеградирленуі, ал полиэтилен сүйекке жетілуін нашарлатады. Сонымен қатар материалдың біртіндеп деградациялануы улы өнімдердің түзілуіне әкелуі мүмкін.

Биоүйлесімді материалдар ретінде көбіне коллаген (және оның жартылай денатурленген формасы-желатин), хитозан, полиантиденелер мен полигликолидтер қолданылады. Коллагенді фибрилдердің реттелу периоды қуыстарда өсетін кристаллиттер мөлшерін анықтайды. Коллагенді қолдану арқылы резорбциясы бақыланатын материалдарды жасауға болады. Сонымен қатар, коллаген пролонгирлеуші әсерлі дәрілік препараттардың тасымалдағышы ретінде болуы мүмкін.

ГАП/коллаген композиттері химиялық құрамы бойынша сәйкес құрылымдық ұйымдасуға ие болмаса да шынайы сүйекке сәйкес болады. Мұндай материал аз мөлшерлі ақауларды емдеу үшін өте тиімді: Композиттер көбінесе гидроксилапатит ұнтағын коллаген ерітіндісімен қарапайымараластыруарқылыалынады. Мұндай композиттердің қысуға беріктігі 6,5 МПа, Юнг модулі 2 ГПа, бұл керамикалық имплантанттар талаптарын қанағаттандырады. ГАП/коллаген композиттерін алуға дсген биомиметикалық тәсіл ұлпааралық сұйықтық құрамын қайталайтын коллаген талшықтарына 8ВЕ ерітінділерінен (бшпша(есй Бойу Нш45) ГАП нанокристалдарын тұндыруға негізделген. Биомиметикалық түрде алынған ГАП/коллаген композиттері механикалық беріктіліктің жоғары мәндерін көрсетеді, бұл мұндай материал компоненттерінің өзара интеграциясының жоғары дәрежесіне байланысты.

Өкінішке орай, сүйек ұлпасының құрылымын жасанды түрде биомиметика мен бионанотехнологияның жаңа әдістерін қолдану арқылы да қайталау мүмкін емес. Бірақ бұл саладағы ғылыми және технологиялық даму биорезорбцияланушы нанокомпозиттердің - қазіргі медицина талаптарын толық қанағаттандыратын сүйек ұлпасының алмастырушысының жуық арада жасалуына негіз береді.

6.3. Нанофармакология мен нанодәрілер

Наноматериалдардың медицинада қолданылуы биорезорбцияланушы имплантанттарды жасаумен шектелмейді. Бүгінгі күні оның негізгі мақсаттары түрлі аурулардың комплексті диагностикасының инвазивті емес (хирургиялық араласусыз) әдістерін және дәрілерді диагностикадан өткен ауру мүшеге бағытталған жеткізудің жоғары эффективті әдістерін өңдеп шығару болып табылады. Жаңа нанодәрілер нысаналары вируспен жұқтырылған жасушалар немесе катерлі ісік жасушалары, атесклеротикалық түйіндіктер, зақымданған мүшелер мен ұлпалар болуы мүмкін. Мұндай комплексті жүйелерді жасау емдеу тиімділігін арттыруға, қолданылатын препараттар дозасын азайтуға мүмкіндік береді.

Қазіргі кезде дәстүрлі медицинада ауру белгілерін жою үшін дәрілік препараттардың жоғары дозалары қолданылып, нәтижесінде жазылуды баяулататын да, аурудың күйін нашарлататын да жанама эффектілер пайда болуы мүмкін. Сөйтіп препараттар дозасын қалай азайтуға болады және ауруды дәрінің нанограмды мөлшерімен қалай емдеуге болады деген сұрақтар туындайды. Ескеретін жағдай, жалпы ағзаны емес, тек «ауру» жасушаларды емдеу керек. Егер оларға дәрілік препараттарды бағытталған түрде жеткізуді үйренсе (мысалы, оларды алдын-ала инертті қабыршыққа салып, қажет орынға жеткенде ғана «ашылуына» мүмкіндік беру арқылы), аз дозалардың өзі жазылу үдерісіне ықпалын тигізуі мүмкін. Дәріні зақымдалу ошағына жеткізудің маңыздылығын келесі мысал негізінде түсінуге болады. Қатерлі ісіктерінің қайталанып пайда болуын емдеу мен профилактикадан өткізу кезінде химиотерапия қолданылады. Қатерлі ісікке қарсы препараттарды тамырдың ішіне, сәйкесінше, кажет дозадан артық мөлшерде енгізу, сау ұлпалар мен жасушаларға зиян келтіреді. Препаратты катерлі ісік жасушаларының жиналған жеріне тікелей жеткізіп, бүкіл ағза денсаулығын сақтауға болады. Бірак дәрілерге ауру жасушаларды тану аркылы ағзада қажет жолдарды табуды калай «үйретуге» болады? Бұл жайлы табиғат ойланып, ақылды дәрілік жүйелер үшін негізгі элементтерді жасады.

Табиғатта заттардың аса төмен дозалары әсерінің көптеген мысалдары бар. Мысалы, көбелектердің кейбір түрлері өз түрінің феромондарын екі километрден аса қашықтыкта сезеді, ал акулалар 600 кубометр суда еріген бір грамм қанды сезеді. Яғни, көбелектер мен акулалар (басқа да жандар сияқты) олардың тірі қалуын камтамасыз ететін заттарға аса жоғары сезгіштікті дамытты. Ұқсас принциптерді ғалымдар қазіргі заманғы медицинада қолдануға тырысты.

Көбісі гомеопатикалық медицина жайлы естіген шығар. Гомеопатикалық дәрілердегі химиялық заттар мөлшері өте аз, оларды емделуші таблетканы көре алуы үшін байланыстырушы компоненттермен (мысалы, крахмалмен) мыңдаған есе арнайы сұйылтады. Егер адам берілген дәрілік препаратка аса сезімтал болса, емдік эффект орын алады. Шындығында «аса сезімталдықта» енгізілетін препаратты мекенжайлы жеткізудің жүзеге асуы жасырылады. Өйткені ағзада бөтен молекулалар - антигендердің пайда болуы иммунды жүйенің тез жауабын тудырады. Бұл антиденелердің антигенді танып, байланыстырылатын спецификалық ақуыздарды бөлуінде байкалады. Сондықтан, антиденелер көптеген нанодәрілердің негізгі элементтері ретінде болуы мүмкін.

Сонымен тиімді нанодәрілер алдында бірнеше ілеспелі мақсат түр: ағзада нысана-жасушаларды табу; оларға қажет дәрілерді жеткізу; жасуша ішіне еніп, ішіндегісін түсіру; бөлшектерге бөлініп, ағзадан кету. Қойылған мақсаттарғасай наноагенттердің сапалы «суреті» бейнеленеді: олар мақсатына бағытталған түрде жетуі үшін рецепторларға ие болуы, жасушалы мембраналар арқылы өту қабілетіне ие болуы, ішіндегісін дәл кажет уақытта кажет жерге түсіруі және улы болмауы тиіс. Яғни, дәрілік блокпен қатар нанодәрі де өзіне анықтаушы және тасымалдаушы агенттерді қосуы тиіс (6.7-сурет). Бұл элементтерді қосудың ең тиімді әдісі гибридті бионаноқұрылымдарды қолдану болып табылады. Мысалы, нанобөлшектер бетінде функционалды топтардың химиялық әрекеттесуі арқылы антиденелерді бекітіп, алынған жүйені қанға енгізсе, антиденелер бөлшекті ағзаның қажет жеріне бағытталған түрде жеткізеді. Берілген жағдайда антидене мұндай жүйенің тасымалдаушы элементі ретінде болады. Ал егер нанобөлшекке жасушалы мембрананы немесе вирусты бұзатын белсенді ақуызды бекітсе, зақымдалған ұлпаларды бағытталған түрде шабуылдауға болады. Сонымен қатар, дәрі жолы бойынша әсер ете бастаса, сау ұлпалар зақымдалуы мүмкін. Сондықтан емдік субстанцияның босап шығуын қоршаған орта факторларымен (температура, орта қышқылдығы, спецификалық ферменттер) немесе әсер ету ұзақтығымен бақылау қажет.