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- 연혁
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자연의 비네의 조화
자연적인 뼈는 흡습성에서 나노에 경간하는 기질을 매우 조직적으로 전시합니다. 매크로 수준에서 뼈는 굵은 코뿔 뼈와 다공성 골격 뼈로 분할되며, 각각 다른 기계적 역할이 있습니다. 코뿔 뼈는 구조적 강성을 제공하며, 골관절 뼈는 충격을 흡수하고 골관 네트워크를 통해 대사 기능을 지원합니다.
콜라겐은 콜라겐의 콜라겐을 함유한 콜라겐 섬유를 함유한 제품입니다. 콜라겐은 콜라겐 섬유를 갖는 콜라겐 섬유를 갖추는 콜라겐 섬유를 갖추었습니다. 나노 스케일에서 콜라겐 분자는 콜라겐 분자를 자체적으로 섞어 특성 67 nm 주기적인 붕대 패턴을 갖추었습니다. 이 fibrils는 hydroxyapatite 결정의 붕대와 첨단에 대한 템플릿과 첨단을 위한 역할을 합니다. 이 콜라겐은 콜라겐과 첨단 재료의 합성 물질을 갖는 매우 강력합니다.
연구자들은 X-ray diffraction, 스캐닝 전자 현미경 검사 및 원자 힘 현미경 검사와 같은 기술을 사용하여이 다 가늠자 건축술을 광대하게 특색짓습니다. 이 계층적인 관계가 뼈의 구조 그리고 기계적인 행동을 복제하는 합성 아날로그 디자인에 필수적입니다. Nature 물자 에 있는 포괄적인 검토는 뼈의 계층 구조 디자인 원리가 새로운 물자에 영감을 주는 방법 설명합니다
합성 뼈 미믹리의 핵심 도전
연구의 십년간에도 불구하고 뼈의 계층 구조적 복잡성은 매우 어려운 남아 있습니다. 하나의 주요 장애물은 여러 길이의 규모에 걸쳐 구성 요소의 정확한 정렬 및 공간 조직을 달성합니다. 합성 비계는 나노 스케일 아키텍처를 제어하는 나노 스케일 아키텍처를 mimic macro‐ 및 마이크로 포로성을 수 있지만, 콜라겐 균 균과 미네랄 크리스탈의 축 성장과 같은 고급 제조 방법.
다른 도전은 네이티브 뼈의 역동적 인 성격입니다. 생활 뼈는 기계적 부하 및 생화확적인 신호에 대한 응답에 골절과 골절에 의해 지속적으로 개조됩니다. 합성 물질은 생체 호환이 될뿐만 아니라 세포 침투, 혈관화 및 점차적인 재구성을 권장합니다. 많은 현재 임플란트는 응력 차폐, 빈약한 osseointegration 또는 염증 반응으로 인해 실패합니다.
또한, 힘과 생물전도의 무역 떨어져 물자 디자인을 complicates. 고밀도 합성 hydroxyapatite 세라믹스 제안 우수한 압축 강도 그러나 resorb에 강하고 어렵습니다. 역동적으로, 중합체 근거한 합성물은 너무 가동 가능하 또는 degrade 너무 빨리 일지도 모릅니다. 기계적 성질, 분해 비율의 최선 균형, 및 생물학적 입은 구성과 미세구조의 주의깊은 기술설계를 요구합니다.
혁신적인 소재 디자인 전략
생물경화상(Biomimetic)
3D 프린팅은 골격의 생산에 혁명을 일으키고 있습니다. 3D 프린팅은 골격의 구조 구조를 융합하여 시료 크기, 부유물 및 상호 연결성을 통해 정밀한 제어를 가능하게 합니다. 예를 들어, 선택적 레이저 소결 및 융합적 증착 모델링은 사용자 정의된 기계적 특성을 가진 환자별 임플란트를 만들 수 있습니다.
Electrospinning은 콜라겐 네트워크를 닮은 나노섬유계를 생산하는 또 다른 강력한 방법입니다. 솔루션 농도, 전압 및 수집기 기하학을 조작함으로써 연구원들은 셀 방향과 매트릭스 증착을 안내하는 정렬 섬유를 생산할 수 있습니다. 3D ‐인쇄 된 매크로 구조와 전기 스크레이닝 나노섬유 레이어는 납땜과 셀룰러 침투를 지원하는 계층 구조체를 생산할 수 있습니다. [A]]] [A]]] [A]]] [A]]]] [A]]]] ] [A]]]] [A]]]]] [[A]]]]]]]]]] [[A]]]]]]]]] [[A]]] [[A]]]]] [[A]]]]] [[A]]]]]]]]]] [[[[[A]]]]]]]]]]]]] [[[A]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[[
자기 조립 및 분자 공학
자연은 각자 집합을 사용하여 뼈의 교원질 템플렛을 개인 tropocollagen 분자에서 건축하기 위하여. 합성 화학자는 nanofibers, hydrogels, 또는 액체 결정 단계로 유사한 각자 ‐organize 할 수 있는 펩티드 amphiphiles 및 다른 유기 분자를 개발했습니다. 이 체계는 RGD 순서 또는 성장 인자와 같은 특정한 생화확적인 신호를 선물하기 위하여 디자인될 수 있습니다.
이 제품은 자연적인 뼈를 닮은 결정에 있는 hydroxyapatite 결정의 증착을 템플렛으로 하는 DNA origami 또는 구획 공중 합체 micelles를 이용합니다. 비계에 칼슘 묶는 펩티드를 immobilizing해서, 연구원은 자연적인 뼈를 닮은 결정적인 줄맞춤을 가진 무기물화한 섬유를 달성했습니다. 이 각자 ‐ 조립된 구조는 또한 기계적인 무결성을 개량하기 위하여 무기 nanoparticles도 교차 결합될 수 있습니다.
합성과 중력 재료
Bone의 비선형 기계적 행동은 복합적 인 성격과 다른 구조적 영역 사이의 부드러운 전환에서 발생합니다. 폴리카프로락톤 또는 폴리 (lactic‐co‐glycolic acid)과 같은 폴리머 매트릭스를 결합하는 합성 화합물은 hydroxyapatite 또는 tricalcium 인산염과 같은 세라믹 필러와 함께 자연적 무기 비율을 대략적으로 충족시킬 수 있습니다. 고급 제조는 이제 광물 함량이 점차적으로 증가하는 물질이 뼈에서 외부로 전환 할 수 있습니다.
이식성 물질은 또한 임플란트 뼈 인터페이스에서 스트레스 농도의 문제를 해결합니다. 주변 뼈의 임플란트 일치의 계수가 될 때, 부하 전송은 더 생리적이며, 응력 보호를 감소시킵니다. porosity gradients와 기능적으로 등급의 비계는 뼈 ingrowth 및 기계적 안정성 향상을 위해 보였습니다. Biomaterials는 높은 강도와 우수한 강도를 모두 갖춘 지속적인 겹 복합 복합 재료에 대해 설명합니다.
Bioinspired Hierarchical 코팅
뼈의 나노토그래피가 대량 기계적 특성을 변경하지 않고 osseointegration을 향상시킬 수 있는 표면 코팅. 양극화, 수열 처리 및 층별 조립과 같은 기술은 높은 표면과 향상된 습윤성을 가진 나노 구조의 표면을 만듭니다. 예를 들어, 비철학 마이크로 처리 / 나노 스케일 표면 쇼와 티타늄 이식은 비보에서 뼈 ‐간접적인 접촉을 개선했습니다.
이 코팅은 뼈의 무기물과 밀접하게 닮은 아patite의 층으로 코팅되는 생물화 무기물화를 이용합니다. 가장된 몸 액체 (SBF)는 뼈와 같은 아patite를 예금하기 위하여 통용되고, 그러나 과정은 느리게 일 수 있습니다. 최근 연구는 칼슘과 인산염 이온을 끌고 있는 polyelectrolyte 다층 또는 위탁한 중합체를 통합해서 무기물화를 가속합니다. 이 코팅은 또한 골극성 약 또는 성장 요인을 위한 운반대 역할을 할 수 있습니다.
연구의학
의 궁극적인 목표는 조직적인 뼈 균주학 물자의 대체하거나 재생하는 손상된 뼈입니다. 의 직립에서, 힙, 무릎을 위한 짐 분기 주입은, 그리고 회전은 빨리 통합하고 순환적인 적재를 저항하는 물자를 요구합니다. 통제되는 porosity를 가진 조직적인 비계는 급속한 혈관화 및 뼈 ingrowth, 감소 회복 시간을 허용합니다.
골절 수술에서 환자의 특정 비계는 CT 스캔에서 복잡한 뼈 결함을 채우도록 설계되었습니다. 점차적으로 분해되는 복합 재료는 기본 조직이 임플란트 제거를 제거하는 데 필요한 제거를 제거합니다. 비 ‐ 비 ‐ 비 골절 골절 골절, 자기 조립 펩티드 및 세라믹 나노 입자가 불규칙한 구멍과 치유 촉진을 채울 수 있습니다.
구조상 수선을 넘어, 뼈 분석 재료는 약물 전달 및 암 치료를위한 플랫폼으로 탐구됩니다. 조직적 인 부적성은 항생제, 항 염증제, 또는 화학 물질로로드 될 수 있으며, 비계 탈질제로 제어 된 방식으로 방출합니다. 이 기계 지원과 치료 전달의 조합은 생물 공학적 디자인의 다기능을 exemplify.
미래 지향과 Emerging Technologies
고급 제조는 계층 구조의 경계를 밀어 계속. 4 차원 인쇄 - 어디 인쇄 구조가 침술 환경에 적응하는 역동적 인 비계에 대한 잠재력을 자극하는 자극에 응답 시간에 모양 또는 속성을 변경. 마이크로 센서와 무선 전자의 통합은 임플란트 성능과 뼈 재생의 실시간 모니터링을 가능하게 할 수 있습니다.
기계 학습 및 계산 디자인은 계층 구조의 최적화를 가속화하고 있습니다. 기계 및 생물학적 반응을 시뮬레이션함으로써 연구원들은 porosity, 섬유 정렬의 조합을 예측할 수 있으며 광물 함량은 평가판 및 ‐error 실험에 필요한 최적의 성능을 높일 수 있습니다.
다른 신흥 방향은 세포 또는 세포 파생 요인을 통합하는 생활 물자의 사용입니다. 예를 들면, endothelial 세포로 mesenchymal 줄기 세포 또는 co-culturing를 가진 pre‐seeding 비계는 혈관과 뼈 형성을 가속할 수 있습니다. 생물 인쇄에서 진보는 지금 정확한 3D 본에 있는 다수 세포 유형 그리고 성장 요인의 동시 증착을 허용하고, 뼈의 구조 뿐만 아니라 그것의 생물학적 조직 같이 건설하는 조직 같이 건설합니다.
]Science]의 포괄 관점은 세포 생물학과 합성화학을 결합하는 방법을 강조하는 것은 자연 뼈와 같은 역동적으로 재모델을 재현하는 물질로 이어질 것입니다.
관련 기사
합성 물질의 자연 뼈의 계층 구조를 재현하는 것은 재료 과학, 화학, 생물학 및 공학 전반에 걸쳐 상호적인 협력을 요구하는 형태가 가능한 도전입니다. Significant 진도는 생물학적 비계 제작, 자기 조립, 복합 및 가래성 디자인 및 바이오 영감을 코팅을 사용하여 만들어졌습니다. 이러한 혁신은 생명 조직과 더 밀접하게 결합하는 임플란트 및 비계에 대한 선도적으로 이어지고 있습니다.
4D 프린팅, 기계 학습, 생활 재료 성숙한 같은 기술로 합성과 자연 뼈 사이의 간격은 좁아집니다. 궁극적 인 페이오프 - 주름 환자의 결과, 감소 된 개정 서지, 복잡한 뼈 결함을 재생하는 능력 - 현대 바이오 물질 연구의 가장 흥미로운 충격적인 영역의이 하나 만들 수 있습니다.