מבוא

פיתוח חומרים סינתטיים כי לשחזר נאמנה את המבנה הירארכי המורכב של העצם הטבעית מייצג את אחד הגבולות השאפתניים ביותר במדעי ביו-חומרים.עצם הוא לא רק פיקדון מינרלים סטטי, אלא גם מורכב חי דינמי, המשלב סיבים אורגניים קולגן, גבישים הידרוקסיפטיים אורגניים משופרים, ורכיבים סלולריים על פני מספר רב של קשקשים ביולוגיים, יכולים להפוך שתלים רפואיים, רקמות גלקסיות לוגיות מתקדמות יותר, ושילוב יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, ריפויים מכני, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, ואפקטים ביולוגיים יעיל יותר, ואפקטיביים מתקדמים, ואפקטים יעילים יותר, ואפקטים ביולוגיים יעילים יותר, ואפקטים, שיפור יעיל יותר, ושילוב יעיל יותר, מאפשר ביצועים ביולוגיים יעילים יותר, ואפקטיביים מתקדמים, שיפור יעיל יותר, ואפקטיביים מתקדמים, שיפור ביצועים ביולוגיים יעילים יותר, וטכנולוגיות אקולוגיים מתקדמים, שיפור יעיל יותר, שיפור יעיל יותר, ואפקטיביים מתקדמים, ואפקטים מתקדמים, וטכנולוגיית ביצועים ביולוגיים יעילים יותר, שיפור יעיל יותר, שיפור יעיל יותר, שיפור ביצועים ביולוגיים יעילים יותר, וטכנולוגיית ביצועים ביולוגיים יעילים יותר, וטכנולוגיית, שיפור ביצועים ביולוגיים יעילים יותר, שיפור ביצועים ביולוגיים יעילים יותר, ו

אדריכלות היררכית של עצמות טבעיות

העצם הטבעית מציגה היררכיה מאורגנת בקפידה המשתרעת מהמאקרוסקופ אל ה- nanoscopic. ברמת המאקרו, העצם מחולקת לעצם קורטית צפופה ו- ⁇ מבטלת העצם, כל אחד עם תפקידים מכניים נפרדים. עצם קוריטי מספק קשיחות מבנית, בעוד שעצם ביטולו סופגת השפעה ותומכת בפונקציות מטבוליות באמצעות רשת המסלולים שלה.

ברמה המיקרו, אוסטאונים - יחידות צילינדיריות מורכבות lamellae קונצנטרי - עיוות הבניין של עצם קוטורי.כל lamella מכיל סיבים התנגשות תואמים עם גבישים הידרוקספטיים. at the nanoscale, מולקולות קשיחות מתאגדות לתוך משככי משקל עם דפוס טיפוסי 67m סינטטי אלה.

החוקרים אפיינו באופן נרחב אדריכלות רב-מידה זו באמצעות טכניקות כגון דיפרקציה רנטגן, סריקת מיקרוסקופיה אלקטרונים וכוח אטומי מיקרוסקופיה.הבנת מערכות יחסים היררכיות אלה חיונית לתכנון אנלוגיות סינתטיות שמשכפלות הן את המבנה ואת ההתנהגות המכנית של העצם. A סקירה מקיפה ב-FLT:0 חומרים לאחורFLT:1 מתאר כיצד עקרונות עיצוב היררכי עצמות יכולים לעורר השראה חומרים חדשים חומרים חדשים

(ב) ויקרא י"א: "וַיְהַשָּׁעָה הוּא" (בראשית כ"ד, כ"ד).

אתגרים מרכזיים בSynthetic Bone Mimicry

למרות עשרות שנים של מחקר, העתקת המורכבות ההיררכית של העצם נותרה קשה מאוד.מכשול אחד גדול הוא להשיג את היישור המדויק ואת הארגון המרחבי של רכיבים על פני קשקשים רבים של אורך רב-עוצמה סינתטית יכול לחקות מאקרו-מיקרו-פורוזיות, שליטה אדריכלות - כגון אוריינטציה של brilss אפידמיים אמפטיים ואת הצמיחה אפיקסילית של גבישים - שיטות ייצור מתקדמות.

אתגר נוסף הוא האופי הדינמי של העצם הילידים.עצם החיים משוחזר כל הזמן על ידי אוסטאוקליסטים ואוסטאובסטנס בתגובה לעומסים מכניים ואותות ביוכימיים.חומרים סינתטיים לא רק להיות לא עולים בקנה אחד, אלא גם מעודדים חדירה סלולרית, vascularization, ושיפוץ הדרגתי. שתלים נוכחיים רבים נכשלים נכשלים עקב לחץ, השמדה גרועה, או תגובה דלקתית.

בנוסף, ההחלפה בין כוח וביוטכנולוגיה מסבך עיצוב חומרי. High-density hydroxyapatiteקרמיקה מציעים כוח דחיסה מעולה אבל הם שופע וקשה כדי resorb.verse, מרוכבים המבוססים על פולימר עשויים להיות גמישים מדי או משפילים מהר מדי. Achieving איזון אופטימלי של תכונות מכניות, נחיתות, וסימנים ביולוגיים דורש הנדסה זהירה של הרכב ומיקרו-מיקרו-מיקרו.

אסטרטגיות עיצוב חומריות חדשניות

פיסול ביומטי

טכניקות ייצור אדקטיות פיתחו מהפכה בייצור של פיגומים פיגמנט 3D העצם מאפשר שליטה מדויקת על גודל פואר, נקבוביות, וקשריות, מחקה את הארכיטקטורה הטרמביאנית של העצם של ביטולו. לדוגמה, לייזר סלקטימנט לייזר פגום מודל של פירוק יכול ליצור שתלים ספציפיים לחולה עם תכונות מכניות מותאמות.

אלקטרוספינינג היא שיטה נוספת עוצמתית לייצר ננופיברווס פיגומים הדומים לרשת ההתנגשות.על ידי מניפולציה של ריכוז פתרונות, מתח וגיאומטריה אספנים, החוקרים יכולים לייצר סיבים מיושנים המדריכים אוריינטציה תאים ו deposition ממטריקס.שלב מבני מאקרו ממוספרים 3D עם שכבות ננופיבר אלקטרו-אפילריות מניבות של היפוך אשר מבססות את התמיכה המשתנים של בעלי החיים ו-ה-ה-ה-ה-ה-ה-חומרית:

(ב) ויקרא י"א: "א' ויקרא י"א ויקרא י"ד ויקרא י"ד ויקרא י"ד ויקרא י"ד ).

הנדסה עצמית ו Molecular Engineering

הטבע משתמש במולקולות הסינתטיים כדי לבנות תבנית קולגן של העצם ממולקולות סטרוקוגן אינדיבידואליות. כימאים סינתטיים פיתחו אמפיפיפילים peptide ומולקולות אורגניות אחרות אשר יכולות באותה מידה להתארגן עצמיות לתוך ננופיברים, הידרוג'ל, או שלב גבישי נוזלי.מערכות אלה יכולות להיות נועדו להציג אותות ביוכימיים ספציפיים כגון RGDs או צמיחה שמקדם גורמים אוסטיים.

גישה מבטיחה אחת משתמשת ב- DNA אוריגאמי או בלוק copolymer עכברים כדי לעצב את הפירוק של גבישי הידרוקספטיטיס באוריינטציה מבוקרת. על ידי אי-השבילה של פטידים על הפיגום, החוקרים השיגו סיבים מינרליים עם היערכות גבישית דומה עצם טבעית. מבנים אלה להרכיב עצמי יכול גם להיות מלוכד או בשילוב עם חלקיקים אורגניים כדי לשפר את השלמות המכאנית.

חומרים גמישים ו-Gateient Materials

ההתנהגות המכנית הלא ליניארית של העצם נובעת מהטבע המורכב שלה והמעבר החלקי בין אזורים מבניים שונים.חומרים סינתטיים המשלבים ממטריקס פולימרי – כגון פוליcaprolactone או פולי(חומצה לקטקטית-קו-קולית) – עם ממלא קרמיקה כמו הידרוקסיפטיט או tricalcium phospe יכול לייחס את היחס האורגני-inorganic של ייצור מתקדם העצם מאפשר כעת לתאים בהדרגה למינרלים המורכבים ממולקולאריים ממולקולאריים, כאשר הם ממולקולאריים ממולקולקליקים, כדי למולקולקליקים, בהדרגה, כדי להפחתה של מעבר חיצוני, כדי למולקולקליום.

חומרים גרפיים גם לטפל בבעיה של ריכוז מתח בממשקים של שתלים.כאשר המודולולים של השתל תואם כי של עצם הסובב, העברת העומס היא פיזיולוגית יותר, צמצום הלחץ מגן על.פוחיות ברמה תפקודית עם porosity ⁇ s הוכח כדי לשפר את הנפיחות העצם ואת יציבות מכנית.

(ב) ויקרא י"א: "וַיְהַה עַל עַל הָאָרֶץ אֱלֹהִים" (בראשית כ"ד, כ"ד).

Bioinspired Hierarchical Coatings

ציפויים משטח המחקים את nanotopography של העצם יכול לשפר את השמה מבלי לשנות תכונות מכניות גדולות.טכניקות כגון anodization, טיפול הידרותרמי, ו התאספות שכבת-על-ידי שכבתית ליצור משטחים ננו עם שטח על פני השטח גבוה וגמישות מוגברת. לדוגמה, שתלים טיטניום מטופלים עם microscaleic micro / Noscale להראות שיפור העצם עם משטח העצם in vivool.

אסטרטגיה נוספת משתמשת מינרליזציה ביולוגית, שבה שתלים מצופים שכבת אפיט שדומה מאוד למינרל העצם.SBF (SBF) משמש בדרך כלל להפקיד את עצמו כמו אדפטיט, אבל התהליך יכול להיות איטי.מחקר עדכני מאיץ מינרלים על ידי שילוב של רב-שכבות פוליקוליות פולימרים או פולימרים טעונים כי למשוך סידן ופוספטורים אלה יכולים לשמש גם ציפויים עבור תרופות או נוגדנים.

יישומים ברפואה רגנרטיבית

המטרה הסופית של חומרי העצם ההיררכיים היא להחליף או לשחזר העצם שנפגע. in orthopedics, שתלים נושאי עומס עבור hip, הברך, עמוד השדרה דורשים חומרים המשלבים במהירות לעמוד בפני עומס מחזורי.

בניתוח craniofacial, פיגומים ספציפיים לחולה נועדו סריקות CT למלא פגמים עצם מורכבים. Composite חומרים כי בהדרגה degrad ו מוחלפים על ידי רקמות Native לחסל את הצורך להסרת השתלים. עבור שברים שאינם חדון, הידרוגלים בלתי ניתנים להזרקה המכילים משככי-עצמים ננו-חלקיקים יכולים למלא חללים בלתי סדירים ולקדם.

מעבר לתיקון מבני, חומרי imetic העצם נחקרים כפלטפורמות עבור אספקת סמים וטיפול בסרטן.הפורוזיות ההיררכית ניתן לטעון עם אנטיביוטיקה, תרופות אנטי דלקתיות, או chemotherapeutics, לשחרר אותם באופן מבוקר כמו הסטיות הספירופליות.שילוב זה של תמיכה מכנית ומשלוח טיפולי מדגימים את המורכבות של עיצוב ביו-שפני.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

ייצור מתקדם ממשיך לדחוף את הגבולות של חיקוי היררכי. הדפסה תלת-ממדית - שבו מבנים מודפסים משנים צורה או תכונות לאורך זמן בתגובה לגירויים - מול פוטנציאל של פיגומים דינמיים שמתאימים לסביבה הריפוי.אינטגרציה של מיקרו-רגישים ואלקטרוניקה אלחוטית יכולה לאפשר ניטור בזמן אמת של השתלת וביצועים והתחדשות העצם.

תכנון מכונות ועיצוב חישובי הם מאיצים את אופטימיזציה של ארכיטקטורות חומר היררכי. על ידי הדמיה של תגובות מכניות וביולוגיה, החוקרים יכולים לחזות אילו שילובים של פורוזיות, יישור סיבים, ותוכן מינרלים ייתנו את הביצועים הטובים ביותר, צמצום הצורך בניסויים של ניסוי וטרור.

כיוון מתפתח נוסף הוא השימוש בחומרי חיים - scaffolds המשלבים תאים או גורמים בעלי תאים נדריביים תאים.לדוגמה, הפיגום טרום-הראה עם תאי גזע mesenchymal או co-culturing עם תאים endothelial יכול להאיץ vascularization ו היווצרות העצם. Advances in bioprinting עכשיו לאפשר פירוק בו זמנית של סוגים תאים מרובים וגורמים צמיחה מדויק 3D, יצירת רקמות לא רק מבנים ביולוגיים.

פרספקטיבה צופה קדימה ב-FLT:0 (מדע הרוח) 1 מדגישה כיצד שילוב כימיה סינתטית עם ביולוגיה תאים יוביל לחומרים שמודלים מחדש דינמי כמו עצם טבעי

(ב) ויקרא י"א: "וַיָּבְהִיתִי עַמֶּה הוּא" (בראשית י"ד, י"ד).

מסקנה

משחזר המבנה ההיררכי של עצם טבעית בחומרים סינתטיים הוא אתגר עצום הדורש שיתוף פעולה בין-תחומי על פני חומרים מדע, כימיה, ביולוגיה והנדסה.התקדמות משמעותית נעשתה באמצעות ייצור פיגומים ביו-מימטיים, הערכה עצמית, עיצובים מורכבים ו ⁇ , וציפויים ביולוגיים מעוררים השראה.

כמו טכנולוגיות כגון הדפסה 4D, למידת מכונה וחומרי חיים בוגרים, הפער בין עצם סינתטית וטבעית ימשיך לצריח.השלם האולטימטיבי - תוצאות מוכחות של מטופלים, מופחתות ניתוחים של תיקונים, ואת היכולת לשחזר פגמים מורכבים העצם - הופך את זה לאחד האזורים המרגשים והמשפיעים ביותר של מחקר ביו-חומרים מודרניים.