Вступ

Розробка синтетичних матеріалів, які вірно розмножують складну ієрархічну структуру природної кістки, представляє собою одну з найаббітніших передових в біоматеріалах наук. Бон не просто статичний мінеральний родовищ, але динамічний, живий композит, який інтегрує органічні колагенові волокна, неорганічні кристали гідроксьяпатіту, і клітинні компоненти по декількох масштабах довжини. Успішна хіміка цієї архітектури може трансформувати медичні імплантати, тканина машинобудування, регенеративні терапії, що дозволяють краще механічне виконання, покращувати біокомпаність і активне біологічне інтегрування. Останні досягнення в нанотехнології, добавка виробництво і самомолекулярно-розшировані досягнення цієї мети, що сприяють кращій реальності.

Ієрархічна архітектура натурального буна

Натуральна кістка виявляє безглуздо організовану ієрархію, яка пропускає від макроскопічної до nanscope. На макрорівні кістка ділена на щільну кортичну кістку і пористу цуцелю, кожна з відмінними механічними ролями. Кортикальна кістка забезпечує структурну жорсткість, при цьому вісклична кістка поглинає вплив і підтримує метаболічні функції через її трабекулярну мережу.

На мікрорівнях остеони—циліндричні блоки, що складаються з концентричних ламельє—формують будівельні блоки кортичної кістки. Кожна ламелі містить вирівняні колагенові волокна, що переполягають на кристалах гідроксапаліту. На нанорозмірних молекулах колагену самооцінюють в фібри з характерним 67 нм періодичним смуговим малюнком. Ці фібри виступають як шаблони для нуклеювання та орієнтації кристалів гідроксапаліту, які мають пластинчасті та лише кілька нанометрів густі. Цей органічно-неорганічний композитний дохід неординарності, жорсткості та легковагові властивості, що борються.

Дослідники мають багатофункціональну архітектуру, що використовує такі методи, як рентгенівська дифракція, сканування електронної мікроскопії та атомна сила. Розуміння цих ієрархічних відносин є важливим для проектування синтетичних аналогів, які реплікують як структуру, так і механічна поведінка кістки. Комплексний огляд Натурні матеріали] описує, як принципи ієрархічного дизайну кістки можуть надихати нові матеріали

(Wegst et al., 2020).

Ключові виклики в синтетичній мімікрії

Незважаючи на багаторічні дослідження, реплікація ієрархічної складності кістки залишається надзвичайно складною. Однією з основних перешкод є досягнення точного вирівнювання та просторової організації компонентів по декількох масштабах довжини. Хоча синтетичні скафроли можуть мімімічні макро‐ та мікропорощі, контроль над нанорозмірною архітектурою – так як спрямованість колагеномомоміметичних фібрил та епітаксиального зростання мінеральних кристалів – це передові методи виготовлення.

Ще одним завданням є динамічна природа рідної кістки. Жива кістка постійно ремоделюється остеопластами і остеобластим у відповідь на механічні навантаження і біохімічні сигнали. Синтетичні матеріали не повинні бути не тільки біосумісними, але і заохочувати клітинне інфільтрування, судинизація і поступове ремоделювання. Багато поточні імпланти не зникають внаслідок стресового щитування, поганий осеоінтеграції або запальних відповідей.

Крім того, торгово-офф між міцністю і біоактивністю ускладнює матеріалообробку. Високоточність синтетичної гідроксиапатитної кераміки пропонують відмінну міцність компресора, але є крихким і важко резорбувати. Поперечно, полімерні композити можуть бути занадто гнучкими або деградованими занадто швидко. Досягнення оптимального балансу механічних властивостей, деградації ставок, біологічних ліктів вимагає ретельного інженерування композиції і мікроструктури.

Стратегії дизайну інноваційного матеріалу

Біомеміметичні шліфувальні тканини

Методи виробництва добавок перетворили виробництво кістково-імітичних скафольців. 3D-друк дозволяє точно контролювати розмір пори, пористість і взаємопов'язність, змиваючи трабекулярну архітектуру канцелярської кістки. Наприклад, вибірковий лазерний зим і зміщений депозиційне моделювання може створювати імпланти з індивідуальними механічними властивостями.

Електроспінінг є ще одним потужним методом для виробництва нанофібросових скафольдів, які нагадують колагенну мережу. За допомогою маніпулювання концентрації розчину, напруги та геометрії колектора, дослідники можуть виробляти вирівняні волокна, які керують орієнтації клітин і матрицею. Комбінація 3D-принтованих макроструктур з електронними нанофіберними шарами врожайності ієрархічних скафольців, які підтримують як навантаження, так і клітинне інфільтрування. Дослідження опубліковано в Acta Biomaterialia демонструє, що такі ієрархічні скафольці значно посилюють кісткову регенерацію в тваринних моделях

(Li та ін., 2021).

Самодостатньо-моделювання та молекулярне будівництво

Природа використовує самооцінку для побудови шаблону колагену кісткового мозку з окремих молекул тропоколагену. Синтетичні хіміки розробили пептидні амфіфіли та інші органічні молекули, які можуть аналогічно самоорганізувати нанофібри, гідрогелі або рідкі кристалічні фази. Ці системи можуть бути розроблені для представлення специфічних біохімічні сигнали, такі як послідовності RGD або фактори росту, які сприяють остеогенезу.

Один перспективний підхід використовує ДНК орігамі або блокувати комомерні клітки для шаблону розташування кристалів гідроксапаліту в контрольованій орієнтації. За рахунок іммобілізації кальцій-поєднання пептидів на спаролі, дослідники досягали мінералізованих волокон з вирівнюванням кристалів, що нагадують природну кістку. Ці самозасщені конструкції також можуть бути перескляні або комбіновані з неорганічними наночастинок для поліпшення механічної цілісності.

Композитний і градієнтний матеріал

Нелінійна механічна поведінка лунки Bone виникає з його композиційної природи і плавного переходу між різними структурними регіонами. Синтетичні композити, які об'єднують полімерну матрицю - наприклад поліпаролактону або полі(лакто-теко-гліколої кислоти) - з керамічним наповнювачем, як гідроксьяпатит або трикальційфосфат може приблизуватися органічно-органічним співвідношенням рідної кістки. Розширене виробництво дозволяє сортувати композити, де мінеральний вміст поступово збільшується від інтер'єру до зовнішнього вигляду, зимілюючи перехід від канцелярської до кортичної кістки.

Витончені матеріали також звертають увагу на проблему концентрації напруги при імпланто-бone інтерфейсах. Коли модуль імпланта відповідає тим, що оточує кістку, передача навантаження є більш фізіологічним, що зменшує навантаження на диспергацію. Функціонально оцінені шарфолди з пористістю градієнтів були показані для поліпшення кісткового ковта і механічної стійкості. Папір Біоматеріали описує багатошаровий композит з постійним градієнтом, який демонструє як високу міцність і відмінну біоактивність

(Chen et al., 2021).

Біоінспіровані ієрархічні покриття

Поверхневі покриття, які імітують нанотопографію кістки, можуть підвищити осеоінтеграцію без змін сипучих механічних властивостей. Методики, такі як анодизація, гідротермічне лікування та шаромо-шарова збірка створюють наноструктуровані поверхні з високою поверхнею та посилена проникність. Наприклад, титанові імпланти, оброблені ієрархічними мікромасштабами / носова поверхня показують поліпшений контакт кісткового ‐to‐implant в vivo.

Ще одна стратегія використовує біоміметичну мінералізацію, де імпланти покривають шаром апатіту, який тісно нагадує кістковий мінерал. Симульовані рідини тіла (SBF) зазвичай використовується для закладення кістково-подібного апатіту, але процес може бути повільним. Останні дослідження прискорює мінералізацію шляхом засвоєння поліелектролітних багатошарових або заряджених полімерів, які притягують кальцію і фосфорних іонів. Ці покриття також можуть служити носіями для остеогенних препаратів або факторів росту.

Застосування в регенеративній медицині

Кінцева мета ієрархічних кістково-імімітичних матеріалів полягає в тому, щоб замінити або регенерувати пошкоджену кістку. У ортопедії, навантажувальні імпланти для стегна, коліна і хребта вимагають матеріалів, які інтегруються швидко і витримують циклічне навантаження. Ієрархічні ліси з керованою пористістю дозволяють швидко закидувати судинизацію і кістковий інгроу, зменшуючи час відновлення.

У черепно-фацевій хірургії хворі-специфічні лупи призначені для заповнення складних дефектів кісток. Композиційні матеріали, які поступово деградуються і заміщані рідною тканиною, усувають необхідність видалення імплантів. Для нетерпних переломів вводять гідрогелі, що містять самоосвоєння пептидів і керамічних наночастинок може заповнювати нерівні порожнини і сприяти загоєнню.

За структурним ремонтом, кістково-мімітичні матеріали досліджуються як платформи для доставки ліків та онкотерапії. Ієрархічна пористість може бути завантажена антибіотиками, протизапальними препаратами або хіміотерапевтичними засобами, що випускають їх у контрольованому порядку як скафольські дегради. Це поєднання механічної підтримки та лікувальної доставки забезпечує багатофункціональність біоінспірованого дизайну.

Технології майбутнього та технології Emerging

Розширене виробництво продовжує підштовхувати межі ієрархічної мітрації. Чотиритомний друк — де друковані структури змінюють форму або властивості з часом у відповідь на стимули — відтворює потенціал для динамічних спаролів, які адаптуються до цілющого середовища. Інтеграція мікродинаміків та бездротової електроніки може забезпечити справжнє моніторування продуктивності імплантів та регенерації кісткової тканини.

Машинне навчання та обчислювальне проектування є прискорення оптимізації ієрархічних матеріалів архітектури. При симуляції механічних та біологічних відповідей дослідники можуть прогнозувати, що поєднання пористості, вирівнювання волокон та мінерального вмісту збережуть найкращі результати, зменшуючи необхідність проведення експериментів з дослідженнями.

Ще одним з яких напрямків є використання живих матеріалів — спаролів, які включають клітинки або клітинно-тер'єрні фактори. Наприклад, претендування скапсів з мезенхімічними стовбуровими клітинами або котеротуруванням з ендотеліальними клітинами може прискорити запліднення і утворення кісток. Попередники в біопринтуванні тепер дозволяють одночасно розкладання декількох типів клітин і факторів росту в точних 3D-малекціях, створюючи тканинно-подібні конструкції, які мимічні не тільки кісткові структури, але і її біологічна складність.

висвітлює, як поєднувати синтетичну хімію з біологія клітин призведе до матеріалів, які динамічно ремоделюють, як природна кісточка

(Мітраготри та ін., 2020).

Висновок

Відображення ієрархічної структури природної кістки в синтетичних матеріалах є переконливим завданням, який вимагає міждисциплінарної співпраці по матеріалах науки, хімії, біології та інженерії. Значний прогрес був виготовлений з використанням біомімітичних скафольгів, самоасоціемно, композиційних і градієнтних конструкцій, і біоінспірованих покриттів. Ці нововведення призводять до імплантатів і скафольців, які краще інтегрувати з живими тканинами і більш тісно мимують механічні і біологічні функції рідної кістки.

Як технології, такі як 4D друк, машинне навчання, і живі матеріали зрілі, проміжок між синтетичною і природною кісткою продовжить звужуватися. Кінцевий платіж — перевищений результат пацієнта, знижені перепланування, а можливість регенерувати складні дефекти кісток — зміяти це одне з найбільш захоплюючих і ударних областей сучасних біоматеріалів.