Tissue engineering Prof. Dr. Hegedűs Csaba, Dr. Lázár István, Bakó József
Készült: 2015.05.31.
A tananyag elkészítését "Az élettudományi- klinikai felsőoktatás gyakorlatorientált és hallgatóbarát korszerűsítése a vidéki képzőhelyek nemzetközi versenyképességének erősítésére" TÁMOP 4.1.1.C-13/1/KONV-2014-0001 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
1
TARTALOMJEGYZÉK
14. Tissue engineering (Szövet rekonstrukció, helyreállítás) ..........................................................4 14.1 Bevezetés..............................................................................................................................4 14.2 A tissue engineering anyagai ...............................................................................................8 14.2.1 Biodegradábilis polimerek ................................................................................................8 14.2.1.1 Poliglikolsav (PGA) .......................................................................................................8 14.2.1.2 Politejsav (PLA) .............................................................................................................8 14.2.1.3 Polikaprolakton (PCL) ...................................................................................................9 14.2.1.4 Polidioxanon (PD) ..........................................................................................................9 14.2.1.5 Poli-γ-glutamin sav (γPGA) ...........................................................................................9 14.2.2 Természetes eredetű polimerek .......................................................................................11 14.2.2.1 Kollagén .......................................................................................................................11 14.2.2.2 Zselatin .........................................................................................................................11 14.2.2.3 Alginát ..........................................................................................................................11 14.2.2.4 Fibrin ............................................................................................................................12 14.2.3 Biokerámiák ....................................................................................................................13 14.2.3.1 Bioinert kerámiák .........................................................................................................13 14.2.3.1.1 Alumínium-oxid (Al2O3)...........................................................................................13 14.2.3.1.2 Cirkónium-oxid (ZrO2) .............................................................................................13 14.2.3.1.3 Cirkónium-oxid–alumínium-oxid (cirkónia-alumina) ..............................................14 14.2.3.2 Bioaktív kerámiák ........................................................................................................14 14.2.3.2.1 Bioaktív üvegek ........................................................................................................14 14.2.3.2.2 Hidroxiapatit (HA) ....................................................................................................15 14.2.3.2.3 Trikalcium-foszfát, (TCP) .........................................................................................15 14.2.4 Szilika aerogél alapú kompozitok ...................................................................................16 14.2.5 Csontcementek ................................................................................................................17 14.2.5.1 PMMA cement .............................................................................................................17 2
14.2.5.2 Kalcium-foszfát cementek ...........................................................................................17 14.2.5.3 Kalcium-szilikát cementek ...........................................................................................18 14.2.6 Biodegradábilis fémek ....................................................................................................18 14.2.7 Biokompatibilitás vizsgálata ...........................................................................................19 14.3 Szkaffold előállítási technikák ...........................................................................................19 14.3.1 Szelektív részecske kioldás .............................................................................................20 14.3.2 Habosítás .........................................................................................................................20 14.3.3 3D nyomtatás ..................................................................................................................20 FELADATOK ............................................................................. Hiba! A könyvjelző nem létezik. Felhasznált szakirodalom ...............................................................................................................22
3
14. TISSUE ENGINEERING (SZÖVET REKONSTRUKCIÓ, HELYREÁLLÍTÁS)
14.1 Bevezetés A szövettervezés, és előállítás -tissue engineering- különböző szervek, és/vagy szövetek pótlására, funkciójuk helyreállítására irányuló tudományterület. Alapvetően interdiszciplináris területként tekinthetünk rá, mely a különböző fizikai, kémiai, és biológiai ismeretek felhasználásával törekszik az eredeti tulajdonságokkal megközelítő, vagy akár bizonyos tekintetekben meg is haladó szerkezeti anyagokat előállítani. Ehhez a sejtek és az anyagok megfelelő tervezésére, a szerkezet és funkció szoros együttműködésére van szükség. A szövettervezés által érintett anyagok köre napjainkban is egyre gyorsuló ütemben bővül, mivel a szervek, és egyes szövetek pótlására alkalmas, egész szerveket érintő megbetegedések esetén, az egyetlen elérhető alternatíva a transzplantáció, a kialakul szükségletek kielégítésére nem elégséges. Az ilyen célra felhasználható anyagokat négy nagy csoportba oszthatjuk, ezek az autograftok, az allograftok, a xenograftok, és az alloplasztikus anyagok. Az autograftok esetén, a donor, és a befogadó személye azonos, így immunológia szempontokat nem szükséges mérlegelni. A legoptimálisabb esetnek tekinthető, amennyiben megvalósítható, ezért minden további vizsgálati anyag sikerességét is ezzel kell összevetni. A korlátozott mennyiség, és a kétoldali érintettség viszont erősen behatárolja alkalmazási lehetőségeit. Ezért jelenhettek meg az allograftok, ahol a donor, és a recipiens fél személye már különbözik, de a faj még azonos. Itt 4
már immunológiai folyamatokat is figyelembe kell venni, de megfelelő körültekintéssel, és gyógyszeres kezeléssel sikeresen alkalmazott módszer, a szerv transzplantációk alapja. A xenograftok esetében már a donor és befogadó faj sem kell, azonos legyen, ennek megfelelően jelenhettek meg a szarvasmarha, sertés, vagy korall szervetlen csontmátrixot felhasználó anyagok. Mennyiségi korlátokról ez esetben már abszolút nem beszélhetünk, de az állati eredetből kifolyólag az immunológia faktorok, illetve betegségek kockázata megjelenhet. Ez teremtette meg az alapot az alloplasztikus anyagok megjelenéséhez, mivel ebben az esetben teljes mértékig mesterségesen előállított anyagokról van szó. A fogászat területén az implantátumok alkalmazása, már bizonyította, hogy lehetséges gyorsan jól integrálódó, a funkciókat megfelelő módon helyreállító eszközöket mesterségesen előállítani, és biológia környezetben, hosszú távon, sikeresen alkalmazni. A csontpótló anyagok esetében is rendelkezésre állnak már termékek, melyeknek alkalmazása reális alternatívaként jelenik meg, és ezek száma a jövőben csak növekedni fog, sőt a rendkívül gyors fejlesztések következtében, a megjelenő újabb lehetőségek, és kifinomultabb funkciók az elterjedésüket is nagyban elősegítheti. A különböző intelligens mátrixok, multifunkcionális, mikro- és nanoskálán strukturált anyagok, a kitapadást, vagy szövetregenerálódást egyre jobban elősegítő lehetőségek, egyre gyorsabban vezethetnek egyre jobb eredményekhez. A fogorvosi, szájsebészeti betegellátás során elsősorban a csontpótlás az egyik leggyakoribb, és leginkább vizsgált területe a szöveti helyreállításnak. A fogászati betegellátásban a műgyökér, fogászati
implantátumok
behelyezésének
lehetőségével
jelentősen
megnövekedett
a
csontpótlások jelentősége. A kezdeti időkben elsősorban a különböző területekről (állcsont, calvaria, csípőcsont, stb.) származó allograftokat alkalmazták, manapság azonban számos xenograft, és alloplastikus anyag is rendelkezésre áll a kezelést végző szakemberek számára. Az alkalmazott „műcsont” mellett manapság különböző peptidek, egyes esetekben őssejtek is alkalmazhatóak a szöveti felépítésben, segítve ezzel a betegek kezelését, gyógyulását.
5
1. ábra: Kereskedelmi forgalomban lévő implantátum
2. ábra: Implantációs fogmű a felső állcsonton
3. ábra: 45 fog hiányának pótlása Ti csavar implantátummal
6
4. ábra: Implantátum csontos kapcsolatának bemutatása, hisztológia festést követően A csontszövet pótlására szolgáló anyagok természetes vagy szintetikus forrásból származnak. Egyetlen anyag önmagában nem képes teljesíteni a kívánalmakat, így a beültetésre, pótlásra szolgáló szkaffoldok, szintetikus graftok több kémiai anyag kombinációjából hozhatók létre. Az egyes alkotók megfelelő megválasztásával a tulajdonságok széles tartományban változtathatók. Az anyagoknak sokrétű feltételrendszernek kell megfelelniük, amelyek optimális teljesítése elsősorba számítógéppel segített tervezéssel valósítható meg. A tissue engineering folyamatában a csontszövet pótlására szolgáló implantátumok készítéséhez leggyakrabban a következő anyagokat használják: biodegradábilis polimerek, természetes eredetű
makromolekulák,
bioinert
és
bioaktív
kerámiák,
biodegradábilis
fémek.
Kombinációjukkal különböző kompozitok, hibridek hozhatók létre, amelyekből bedolgozható porokat, csontcementeket, szkaffoldokat, mérnöki idomokat készítenek. Főbb képviselőiket és azok legjellemzőbb tulajdonságait, valamint a megfelelő geometriai kialakításukra használható technikákat a következő alfejezetekben találjuk.
7
14.2 A tissue engineering anyagai 14.2.1 Biodegradábilis polimerek A gyakorlatban az 5. ábrán látható képletű képviselőiket használják. Gyakori hogy nem tisztán, hanem egymással alkotott kopolimerjeik formájában kerülnek felhasználásra.
5. ábra: Leggyakrabban előforduló biodegradábilis polimerek képletei
14.2.1.1 Poliglikolsav (PGA) A poliglikolsavat kis molekulasúlyú (kb. 600 D, azaz 10-12 monomer egység), illetve nagy molekulasúlyú (kb. 28-30 kD, azaz kb. 5000 monomer egység) változatban állítják elő, ez utóbbi rendkívül oldhatatlan. Termoplasztikus tulajdonságú anyag, nagy mechanikai erősségű, de elég rideg. Vékony szálaiból fonalak készíthetők, amelyek szilárdsága 2 hét alatt a felére csökken, utána pedig 4-6 hónap alatt felszívódik. A PGA a szervezetben észteráz aktivitású enzimek hatására glikolsavvá hidrolizál, ami savas tulajdonságú, az érzékenyebb szövetek irritációját okozhatja. A glikolsav a citrát-ciklusban szén-dioxiddá és vízzé alakul, kis hányadban a vizelettel ürül.
14.2.1.2 Politejsav (PLA) Kukorica keményítőből vagy cukorrépából származó természetes tejsavból készítik. A politejsav a világon a legnagyobb mennyiségben használt biológiai eredetű szintetikus polimer. Mind a D-, mind az L-tejsavból elkészíthető (PDLA ill. PLLA), mindkét polimer tejsavvá bomlik az élő szervezetben. Felszívódási idejük 1-6 év. Termoplasztikus polimer, a PGA-hoz hasonlóan megmunkálható. A PLLA felülete hidrofób jellegű, ami elősegíti a sejtek adhézióját, a fehérjék megkötődését, amelyek különösen alkalmassá teszik szkaffoldok, graftok készítésére. A glikolsav-tejsav kopolimerek 1-3 év alatt szívódnak fel. 8
14.2.1.3 Polikaprolakton (PCL) A PCL alifás poliészter típusú makromolekula. Vízoldékonysága a többi polimerrel öszehasonlítva nagy. Olvadáspontja 60 °C körüli érték. A poli(ε-kaprolaktont) a csontpótlásban szkaffoldok anyagának használják, csontvelőből származó sejtekkel beoltható. Enzimatikus hidrolízise során kapronsav keletkezik. Mintegy két év alatt bomlik le, a bomlási sebesség kopolimer képzéssel növelhető.
14.2.1.4 Polidioxanon (PD) Magasabb fokon kristályos tulajdonságot mutató poliészter, változatos formában készíthető. Termoplasztikus
anyag,
de
tartózkodni
kell
a
túlmelegítéstől,
mert
az
spontán
depolimerizációhoz vezet. Elterjedten használják sebvarrásra, valamint a szabályozott gyógyszerleadású eszközökben. A szervezetben mintegy hat hónap alatt szívódik fel, a bomlástermékei a vizelettel ürülnek.
14.2.1.5 Poli-γ-glutamin sav (γPGA) Anionos jellegű poliaminosav, mely akár több mint 10000 glutaminsav egységet is tartalmazhat. Biotechnológiai úton a Bacillus subtilis faj módosításain keresztül érhető el egyre tisztább, egyre jobb hozammal rendelkező előállítása. Felfedezése elsők között Ivánovics and Erdős (1937) nevéhez fűzhető, bár Sawamura (1913) már izolálta, magát az előállítására képes bacilus törzset egy tradicionális japán ételből, a fermentált szójababból a natto-ból. Biokompatibilis, biodegradábilis, emészthető biopolimer, mely orvosbiológiai szempontból a késleltetett felszívódású hatóanyag-leadó rendszerek előállításának lehetősége miatt lehet érdekes. αkarboxil csoportján keresztül a legkülönfélébb módosítási lehetőségekre nyílik lehetőség. Hidrogélek kialakítása, nanorészecskék képzése, és hatóanyag-polimer komplexek létrehozása is lehetséges PGA alapon, így a gyógyászat számára, mint hatóanyag szállító vagy a szövettervezés során alkalmazható anyagrendszer jelenik meg fő felhasználási területekként. Különböző előállítási lépesei miatt, különböző molekulatömeggel, és különböző savi, és Na+ só formában 9
kerülhetnek forgalomba (lásd 14.2 ábra). A PGA alapanyag karboxil-csoportján keresztül módosítható, így metakrilált formája (MPGA) és nanorészecskéket kialakítva (PGA-MNP) belőle (14.7 ábra), nanokompozit hidrogél előállítására is lehetőségünk nyílik (14.8 ábra). Ebben a formájában a fogászatban alkalmazott kék fény segítségével 60 másodperc alatt megszilárduló gél állítható elő. A köztes anyagok, és a kompozit foto-polimerizációja a videók között megtekinthető.
6. ábra: Különböző molekulasúlyú PGA alapanyagok
7. ábra: PGA és, módosításával előállított polimerek
10
8. ábra: Foto-polimerizálható PGA alapú hidrogél alkalmazási lehetőségének bemutatása 14.2.2 Természetes eredetű polimerek 14.2.2.1 Kollagén A kollagén az élő szevezeteket felépítő egyik vázfehérje, a legelterjedtebb a fibrilláris szerkezetű, ún. I. típusú kollagén. A szövetek pótlásánál az utóbbi időben számottevő figyelmet kapott, mert jó a biokompatibilitása, maradék nélkül felszívódik, antigén aktivitása alacsony. A belőle készített hidrogél őssejtek befogadására kiválóan alkalmas. Beépítés után az átépülési fázisban kellő szilárdságot biztosít. A mesterséges szálak belsejébe bioaktív anyagok építhetők.
14.2.2.2 Zselatin A zselatin a különböző szövetekben lévő kollagén részleges hidrolízisével előállított, peptidek és proteinek keverékét tartalmazó anyag. Könnyen hozzáférhető, olcsó, melegen vízoldható, lehűlve spontán gélesedik. A gélesedési folyamat reverzíbilis. Bioaktív anyagok, például kalciumfoszfátok a kollagénhez hasonlóan jól bedolgozhatók. 14.2.2.3 Alginát Az alginát egy tengeri barnamoszatból kinyert anionos poliszacharid. Kicsi toxicitású, viszonylag olcsó és kiváló biokompatibilitást mutat. Szobahőmérsékleten vizes oldatban Ca2+-ionokkal 11
hidrogéllé térhálósítható. Az alginátnak nincs az állati sejtekkel szemben adhéziója, ezért olyan linker csoportokkal kell módosítani, amelyek lehetővé teszik a sejtek, szövetek kapcsolódását. Az alginát az állati, emberi szervezetben nem bomlik le, ugyanis hiányzik a lebontásához szükséges enzim (pl. algináz), a kiürülési problémára az alginát lánc kis mértékű oxidációjával értek el megoldást. Az alginát különböző anyagokkal, pl. kitozánnal vagy hialuronsavval kombinálva, kalcium-foszfátokkal, bioaktív üvegekkel kompozitot alkotva jól használható a hiányzó csontszövet pótlására, emellett számottevő az alginát gélek gyógyszerhordozókként történő felhasználása is.
9. ábra: Alginát-hidroxiapatit kompozit gyöngyök
(Video 1 ide csatlakozik.) 14.2.2.4 Fibrin A fibrin egyike a klasszikus bioanyagoknak, nagyobb mennyiségben állítják elő vérplazmából. Kiválóan alkalmas szkaffoldok létrehozására, sebragasztónak, őssejtek bejuttatása, angiogenezis megindítása, biológiai anyagok bevitelére. A fibrin alapú ragasztók hidroxiapatittal keverve a maxillofaciális és fogászati sebészetben kerülnek felhasználásra, ahol az oszteoinduktív tulajdonságú hidroxiapatit segíti a csontok gyógyulását. A fibrin gélek különösen könnyen bonthatók proteolitikusan, például plazmin, vagy a mátrix metalloproteinázok hatására. A gyors lebomlás hátrányos, ezért proteáz inhibitorokat adnak hozzá, amelyek lassítják a folyamatot.
12
14.2.3 Biokerámiák A biokerámiákat két nagy csoportba soroljuk, a bioinert és a bioaktív kerámiák csoportjába. A bioinert anyagok esetén egy lágy szövet alakul ki a határfelületen, míg a bioaktív anyagoknál megtörténik a csontszövet benövése, szöveti kötés kialakulása. A biokerámiák esetében általában nagy mechanikai szilárdság és keménység érhető el, a megmunkálhatóság éppen ezért problémát jelenthet. A kerámiaszerű viselkedés rideg törésben is megnyilvánul. A ridegség csökkentése, a szívósság növelése általános célkitűzés, azonban csak nagyon kevés esetben sikerül megvalósítani. (Video 2 ide kapcsolódik.) 14.2.3.1 Bioinert kerámiák A bioinert kerámiákra nagy méretstabilitás, nagy mechanikai erősség, nagy korrózióállóság jellemző, ilyenek, pl. az alumínium-oxid (alumina, Al2O3), cirkónium-dioxid (ZrO2), cériumdioxid (ceria, CeO2). 14.2.3.1.1 Alumínium-oxid (Al2O3) Az alumínium-oxidnak a legstabilisabb módosulatát, a romboéderes α-Al2O3-at használják a gyógyászatban, amely rendkívül stabilis, gyakorlatilag oldhatatlan, nagy keménységű, nagy kopásállóságú anyag. Előnyösen használható fémek helyett az ízületi pótlásoknál, például combcsont fej pótlására. 14.2.3.1.2 Cirkónium-oxid (ZrO2) Az alumínium-oxidhoz hasonló, de attól nagyobb keménységű, kopásállóságú és ütőszilárdságú, esztétikus megjelenésű anyag. Három módosulatából az ittriummal stabilizált monoklin formát használják a gyógyászatban. A tiszta cirkónium-oxid esetén vizes közegben hosszabb idő alatt bekövetkezhet a felület érdesedése és mikrorepedések kialakulása, ez azonban a stabilizált változatnál nem, vagy jóval kisebb mértékben jelentkezik. Fogpótlásokban, mesterséges gyökerekben, protézisekben jól használható anyag. 13
14.2.3.1.3 Cirkónium-oxid–alumínium-oxid (cirkónia-alumina) A cirkónium-oxid nagyon jó mechanikai tulajdonságainak és az alumínium-oxid felületi ellenálló képességének egyesítésére létrehozott anyag. Ebben az esetben is használnak különböző fémoxidokat a cirkónia módosulatváltozásának megakadályozására. A két oxidból létrejött nanokompozitok különösen ellenállóak a kis hőmérsékleten bekövetkező degradációval szemben, nagy a kopásállóságuk, a biokompatibilitásuk is kiváló. 14.2.3.2 Bioaktív kerámiák A bioaktív kerámiák kerámiaszerű megjelenésű, mechanikailag kellően erős anyagok, amelyek kémiai összetételüknél fogva serkentik a csontszövet képződését. A biológiai aktivitás szempontjából az összetétel mellett kritikus jelentőségű az optimális pórusméret és pórustérfogat biztosítása. Elvárás az, hogy a szkaffoldok legalább a csont szivacsos állományával megegyező porozitást és terhelhetőséget biztosítsák. A nagy szilárdság és a szivacsos szerkezet egymásnak ellentmondó kívánalmak, így az implantátumok tulajdonságai általában valamilyen optimalizált (kompromisszumos) értékeket mutatnak. 14.2.3.2.1 Bioaktív üvegek A bioaktív üvegek a szilícium-dioxid alapú üvegek speciális, bioaktív változatai, amelyeket a gyógyászatban már az 1960-as évek közepe óta használnak. Az összetételükre nem egy határozott sztöchiometria jellemző, hanem bizonyos határok között folyamatosan változhat. A szilícium mellett általában nátriumot, foszfort, kalciumot, esetenként még további elemeket tartalmaznak, természetesen oxidos formában. Az eredeti Bioglass 45S5-öt már több mint egymillió páciensnél alkalmazták, állkapocs csonthiányok pótlásától egészen az ortopédiai hiányokig. A bioaktív üvegek egyik típusa mind a lágy szövethez, mind a csontszövethez kötést alakít ki, míg a másik típusnál csak a csontszövettel jön létre kötés.
14
14.2.3.2.2 Hidroxiapatit (HA) A leggyakrabban megadott kémiai képlete Ca10(PO4)6(OH)2. A csont legnagyobb tömegben megtalálható szervetlen alkotója. A csont szerkezetében általában vékony lemezek formájában található. Szintetikus változata manapság a legelterjedtebben használt csontpótló, regeneráló anyag, de számos más területen, így a gyógyszerformulázásoktól a biodegradábilis polimer kompozitig számtalan helyen használják. A hidroxiapatit nagyon jó biokompatibilitást mutató anyag, nem csak a csontszövettel, hanem a lágyszövetekkel is kötést képes kialakítani. Oszteokonduktív
és
oszteoinduktív,
ezért
mesterséges,
átépülő
csontpótlásokban,
tömőanyagokban széles körben használják.
10. ábra: Hidroxiapatit és béta-trikalcium-foszfát fényképe
14.2.3.2.3 Trikalcium-foszfát, (TCP) A trikalcium-foszfát (Ca3(PO4)2) a természetben két fő módosulatként van jelen: α- és a β-TCP. A két módosulat közül az α-módosulat oldékonysága nagyobb, de orvosbiológiai célra ma már mindkét módosulatot hasznosítják. Fogászati, maxillo-faciális és ortopédiai célokra, blokkok, graftok előállítására inkább a β-módosulatot, finom porként hidraulikus csontcementekben történő alkalmazásoknál az α-módosulatot használják. Biokompatibilitásuk nagyon jó, oszteokonduktív és oszteoinduktív tulajdonságúak. Az α-módosulat a szervezetben nagyobb oldékonysága révén lassan, részlegesen hidroxiapatittá alakulhat.
15
11. ábra: Különböző szemcseméretű orvosi felhasználásra szánt β -trikalcium-foszfát 14.2.4 Szilika aerogél alapú kompozitok A szilika aerogélek ultrafinom pórusméretű, rendkívül nagy porozitású szilícium-dioxidból állnak, előállításuk szerves szilán reagensekből történik hidrolízissel, majd szuperkritikus szárítással. Kollagénnel, zselatinnal, poliszacharidokkal, kalcium-foszfátokkal kombinálhatók, hibridek és kompozitok készíthetők. Megfelelő hőkezelések után a bioüvegekhez hasonló aktivitású, de azoknál sokkal nagyobb szilárdságú anyagok, szinterelt idomok állíthatók elő. Az aerogél alapú, legújabb generációs mesterséges csontpótló anyagok jelenleg a fejlesztési és klinikai kipróbálási fázisban vannak.
16
12. ábra: Szilika aerogél és mesterséges csontpótlásra alkalmas, szinterelt és granulált szilika aerogél-HA-TCP kompozit fényképe
14.2.5 Csontcementek A csontcementeknél alapvető fontosságú, hogy alkalmasak legyenek terek, üregek kitöltésére, részek rögzítésére, mechanikai tulajdonságai pedig a környező szövetéhez hasonlatosak. Kívánatos, hogy jó szöveti adhézió alakuljon ki a cementtel. Ideális esetben a cement bioaktív és reszorbeábilis, felszívódása közben elősegíti az eredeti csontszövet regenerációját.
14.2.5.1 PMMA cement A legelső polimer csontcement anyaga a poli-metilmetakrilát (PMMA, plexi) volt. A PMMA bioinert anyag, megfelelő nyomószilárdságú, de rideg, a felülete nem létesít kötést sem a lágyszövetekkel, sem a csontszövettel. Nagyon költséghatékony, jelenleg is használatban van, de a legújabban végzett kémiai módosítások ellenére sem tekintjük modern anyagnak.
13. ábra: PMMA-polisztirol kopolimer csontcementből készült, megmunkált szilárdság mérési próbatest fényképe 14.2.5.2 Kalcium-foszfát cementek A kalcium-foszfát cementek közös jellemzője, hogy egy lúgos és egy savas kalciumforrást tartalmaznak, amelyek víz jelenlétében átalakulnak egy kis oldékonyságú, kristályos kalciumsóvá, így megszilárdulnak. 17
A cementek bázisos komponense legjellemzőbben a trikalcium-foszfát, a savas komponens pedig a kalcium-bisz(dihidrogén-foszfát) monohidrát. Vízben történő elkeverésük után a megkötés néhány perc alatt bekövetkezik. A cementhez adott adalékokkal módosítani lehet a kötési időt, a bedolgozhatóságot, a viszkozitást, a képződő kristályok méretét, az elérhető keménységet, szilárdságot. Lehetőség van lokálisan ható gyógyszerek, antibiotikumok bekeverésére is. (Video 3 ide kapcsolódik) 14.2.5.3 Kalcium-szilikát cementek Az első bioaktív szilikát cementet klasszikus bioüveg bedolgozásával készítették, kihasználva annak kedvező élettani tulajdonságait. Azóta számos más összetételben is előállítottak csontcementet nagy tisztaságú trikalcium-szilikát (Ca3SiO5) és dikalcium-szilikát (Ca2SiO4) felhasználásával. Víz hatására az SiO4 tetraéderek egymáshoz kapcsolódásával kiépül a térhálós szilikát váz, a cement megköt. Ennek a típusú cementnek még nincs számottevő elterjedtsége, jelenleg a felhasználási területek és módszerek felderítése történik. 14.2.6 Biodegradábilis fémek Egyre nő az igény az olyan fém implantátumok iránt, amelyek a szervezetben bizonyos idő elteltével maradék nélkül felszívódnak, így eltávolításukra nincs szükség. Elsősorban azok a fémek használhatók, amelyek a szervezetben is megtalálhatók. A leggyakoribbak a magnézium alapú ötvözetek, de a vas, cink, kalcium ötvözetei is használatosak. A felsorolt elemek mindegyike a hidrogénnél negatívabb standard potenciálú, vizes közegben az oldódásuk során hidrogén fejlődik. A fém felületén hidroxidréteg keletkezik, amelynek oldékonysága befolyásolja a fém oldódásának sebességét. Az oldódás sebességére az ötvöző elemek, a felület kialakítási módja, a környezetben lévő egyéb anyagok is hatással vannak. A legkívánatosabb az, hogy az eszköz leépülése a csontszövet regenerációjával szinkronban történjen. A biodegradábilis fémek jelenleg a fejlesztési fázisban vannak, a legelőrehaladottabb állapotban a magnézium ötvözetekből készült eszközök vannak.
18
14.2.7 Biokompatibilitás vizsgálata A mesterséges csontpótlásra szolgáló anyagok biokompatibilitását szimulált testfolyadékban (SBF) végzett áztatással vizsgálják az első lépésben. A szimulált testfolyadék a vérplazma ionos összetételével megegyező, foszfátionokat, kalciumionokat, nátrium-, kálium-, klorid- és hidrogénkarbonátionokat, glükózt tartalmazó oldat. Azok az anyagok számítanak a csont adhézió szempontjából kedvező tulajdonságúnak, amelyek felületére az SBF-ből vékony hidroxiapatit réteg válik le. A leválást elektronmikroszkópiás technikával vizsgálják.
14. ábra Szimulált testfolyadékban levált HA réteg (nyíl jelzi) egy kalcium-foszfátokat tartalmazó mesterséges csontpótló anyag felületén 14.3 Szkaffold előállítási technikák A kémiai összetétel mellett megfelelő porozitás, geometriai kialakítás is szükséges ahhoz, hogy csontpótlásra használt anyagok esetén optimális hatást érjenek el. A megfelelő porozitás kialakításának nagyon sok módja, technikája van. A legegyszerűbb a szelektív részecske-kioldás és a gázzal történő habosítás, legújabban pedig a 3D nyomtatást használják.
19
14.3.1 Szelektív részecske kioldás Főként polimer vagy fém alapú anyagok esetén használatos eljárás. Lényege az, hogy a vízben oldhatatlan mátrixban vízoldható szemcséket, például nátrium-klorid kristályokat diszpergálnak, majd vizes mosással kioldják a sót, így a sókristályok helyén üreg marad vissza. 14.3.2 Habosítás Polimer vagy polimer kompozit olvadékban nagy nyomással gázt, jellemzően szén-dioxidot oldanak be, majd a nyomás hirtelen csökkentésével és az anyag egyidejű hűtésével az anyagban gázbuborékokat hoznak létre, aminek az eredménye egy szivacsra jellemző szerkezet kialakulása. 14.3.3 3D nyomtatás Több technikát is használnak 3D nyomtatásra, ezek közül az egyik legegyszerűbb az olvadék extrudálásos technika, a legnagyobb felbontóképességű pedig a sztereo-fotolitográfiás eljárás. Olvadék extrudálásnál egy hevített nyomtatófejben termoplasztikus bioaktív polimert olvasztanak meg (pl. politejsavból). A kinyomott vékony olvadékszálat hideg tárgyasztal felületén a számítógéppel megadott mintázat szerint szétkenik, ahol az gyorsan megszilárdul. Egy elkészült réteg után a következő réteget annak a tetejére juttatják, így alakítják ki rétegről rétegre a kívánt formát.
20
15. ábra: Olvadék extrudálásos 3D printer működési elve. A fűtött nyomtató fejben megolvasztott polimer szálat olvadék formájában juttatja a hideg tárgyasztalra, illetve a már korábban lerakott rétegekre. 3D fotolitográfiás eljárással is létrehozhatók térbeli nyomatok. A folyamatban fényre keményedő folyékony gyantát használnak, a kívánt alakzatot rétegenként, lézer- vagy UV-sugárral világítják le a fotogyantával bevont felületre. A réteg megszilárdulása a tárgyasztal kismértékű lesüllyesztésével, újabb gyantaréteggel vonják be a felületet, és az eljárás a szükséges számban megismétlik.
21
FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM
[1] Kai-Uwe LEWANDROWSKI, Donald L. WISE, Debra J. TRANTOLO, Joseph D. GRESSER, Michael J. YASZEMSKI, David E. ALTOBELLI (Eds.), Tissue Engineering and Biodegradable Equivalents. Scientific and Clinical Applications. Marcel-Dekker Inc. New York, Basel, 2002, ISBN: 0-8247-0755-9 [2] Gregory BOCK, Jamie GOODE (Eds.), Tissue Engineering of Cartilage and Bone, Novartis Foundation Symposium 249, John Wiley & Sons Ltd. Chichester, West Sussex, 2003, ISBN 0 470 844817 [3] Shuilin WU, Xiangmei LIU, Kelvin W.K. YEUNG, Changsheng LIU, Xianjin YANG, Biomimetic porous scaffolds for bone tissue engineering, Materials Science and Engineering: R: Reports, Volume 80, June 2014, Pages 1–36 [4] Nasrin SHADJOUA, Mohammad HASANZADEH, Bone tissue engineering using silica-based mesoporous nanobiomaterials:Recent progress, Materials Science and Engineering: C, Vol. 55, 1 October 2015, Pages 401–409 [5] Hongjian ZHOU, Jaebeom LEE, Nanoscale hydroxyapatite particles for bone tissue engineering, Acta Biomaterialia, Vol. 7, Issue 7, July 2011, Pages 2769–2781 [6] Yongjun CHEN, Zhigang XU, Christopher SMITH, Jag SANKAR, Recent advances on the development of magnesium alloys for biodegradable implants, Acta Biomaterialia, Vol.10, Issue 11, November 2014, Pages 4561–4573 [7] Ashley C. BROWN, Thomas H. BARKER, Fibrin-based biomaterials: Modulation of macroscopic properties through rational design at the molecular level, Acta Biomaterialia, Vol. 10, Issue 4, April 2014, Pages 1502–1514 [8] Faleh TAMIMI, Zeeshan SHEIKH, Jake BARRALET, Dicalcium phosphate cements: Brushite and monetite, Acta Biomaterialia, Vol. 8, Issue 2, February 2012, Pages 474– 487 [9] Jingtao ZHANG, Weizhen LIU, Verena SCHNITZLER, Franck TANCRET, JeanMichel BOULER, Calcium phosphate cements for bone substitution: Chemistry, 22
handling and mechanical properties, Acta Biomaterialia, Vol. 10, Issue 3, March 2014, Pages 1035–1049 [10] William J. O'BRIEN: Dental Materials and Their Selection. USA, IL: Quintessence Publishing Co, Inc, 2002. -ISBN 086 715 4063, Pages 294-309 [11] Ronald L. SAKAGUCH, John M. POWERS: Craig’s Restorative Dental Materials. USA, Philadelphia: ELSEVIER, Mosby, 2012. -ISBN 978 032 3081085, Pages 369-382 [12] Yoshimitsu HAMANO: Amino-Acid Homopolymers Occurring in Nature. SpringerVerlag Berlin Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-12452-5, DOI 10.1007/978-3-64212453-2. Pages 78-89
23
