Table of Contents
Giới thiệu
Phát triển các vật liệu tổng hợp nhân tạo trung thành sao chép cấu trúc phức tạp của xương tự nhiên đại diện cho một trong những biên giới đầy tham vọng nhất trong ngành khoa học vật liệu sinh học xương không chỉ đơn thuần là một chất khoáng tĩnh mà còn là một chất lưu trữ, sống tích hợp các sợi kết hợp hữu cơ, kết hợp các chất thủy tinh, các thành phần tế bào trong nhiều thang đo dài. mô phỏng thành công của cấu trúc này có thể chuyển đổi mô y học, cơ cấu cơ khí, và các liệu pháp sinh học tái tạo bằng cách cho phép hiệu quả cơ học tốt hơn, cải thiện tính năng sinh học, và tích hợp sinh học. những tiến bộ gần đây trong tinh thể nano, công nghiệp công nghiệp nano và phân tử tự sản xuất và các đường ống nước này đang mang lại gần hơn đến thực tế này.
Kiến trúc trật tự của xương tự nhiên
Xương tự nhiên được trưng bày một trật tự có tổ chức tỉ mỉ, trải dài từ vĩ mô đến nano, ở cấp độ vĩ mô, xương được chia thành xương vỏ dày và xương có vỏ sò dày, mỗi phần với vai trò cơ học riêng biệt.
Ở cấp độ vi mô, các tinh thể ostylime được cấu tạo bởi các phân tử nano, tự kết hợp với các sợi xoắn ốc đặc trưng 67 nm. Mỗi sợi tơ này hoạt động giống như mẫu hình cầu và định hướng của tinh thể hydroxypaite, chỉ có hình dạng một vài nano mét. Cơ quan hữu cơ này sản xuất ra các tính chất bền, cứng chắc và chất nhân tạo, chất cứng và chất liệu nhân tạo tương ứng với vật liệu có độ sáng.
Các nhà nghiên cứu đã đặc trưng rất nhiều cho kiến trúc đa cấp này bằng cách sử dụng các kỹ thuật như quang hợp Xray, quét siêu vi điện tử và siêu vi hạt nhân.
Những thử thách chính trong việc phân tích xương người máy
Dù nghiên cứu hàng thập kỷ, việc sao chép sự phức tạp bậc thang của xương vẫn rất khó khăn, nhưng một chướng ngại lớn là đạt được sự thẳng hàng và tổ chức không gian chính xác của các thành phần trên nhiều thang đo dài.
Một thách thức khác là sự sống của xương sống được liên tục tái tạo bởi xương sống và chất xương xương cùng để phản ứng với các vật liệu hóa sinh và các tín hiệu sinh học. vật liệu tổng hợp không chỉ cần phải có khả năng kết hợp sinh học mà còn khuyến khích sự xâm nhập tế bào, sự thụ tinh mạch máu và việc tái tạo dần dần.
Ngoài ra, sự trao đổi giữa sức mạnh và tính chất sinh học làm phức tạp hóa vật chất.
Chiến thuật thiết kế vật chất đổi mới
Phát triển nhân tạo
Kỹ thuật sản xuất bổ sung đã cách mạng hóa việc sản xuất các giàn giáo hình cầu. In 3D cho phép kiểm soát chính xác về kích thước chân, độ sắc, và tính liên kết, bắt chước cấu trúc khí hậu của xương có thể. Ví dụ, việc xếp hình tia laser và kết hợp với nhau có thể tạo ra các mô hình cấy ghép đặc trưng cho bệnh nhân với tính cơ học tùy chỉnh.
Điện tử xoay là một phương pháp khác để tạo ra các giàn giáo sợi nano giống như mạng lưới sợi điện cực nano. Bằng cách thao tác khả năng tập trung giải pháp, điện áp và hình học thu thập điện tử, các nhà nghiên cứu có thể sản xuất các sợi thẳng đứng định hướng tế bào và lời giải thích ma trận. Kết hợp 3D với các lớp điện cực nano chứa các giàn giáo điện cực giúp tăng cường khả năng phục hồi chức năng của động vật trong việc tạo ra các mô hình xương. Một nghiên cứu được xuất bản [FT: 0]
Kĩ thuật phân tử và tự lắp ráp
Các nhà hóa học tổng hợp đã phát triển các tế bào thần kinh hợp chất và các phân tử hữu cơ khác có thể tự tổ chức tương tự thành các sợi tơ nano, thủy cầu, hay thủy tinh thể lỏng, để tạo ra các tín hiệu sinh học đặc trưng như chuỗi RGD hoặc các yếu tố tăng trưởng kích thích sự phát triển của động mạch chủ thể.
Một phương pháp hứa hẹn sử dụng origami hoặc ngăn chặn chuột đồng để mô phỏng việc xác minh các tinh thể hydroxypaite trong một hướng điều khiển. Bằng cách ngưng hoạt động động của chất canxi kết hợp trên giàn giáo, các nhà nghiên cứu đã đạt được các sợi khoáng chất với các cấu trúc tinh thể tương tự như tinh thể tự nhiên. Những cấu trúc này có thể được kết hợp với nhau hoặc kết hợp với các hạt nano cơ thể để cải thiện tính trung thực của cơ thể.
Chất lượng và Gradient tương thích
Các hợp chất tổng hợp kết hợp thành một ma trận chất polycaprolacone hay poly (trích từ bên trong đến bên ngoài) - với một chất liệu chứa đầy nhựa như hydroxyapatate hoặc tricphite có thể xấp xỉ tỷ lệ hữu cơ của xương bản địa.
Chất Gradient cũng giải quyết vấn đề về độ tập trung của dây thần kinh mạch tại giao diện cấy ghép. Khi mô-đun của một bộ phận cấy ghép khớp với xương xung quanh, việc truyền tải sẽ dễ dàng hơn, giảm sự bảo vệ căng thẳng. Các giá trị có hàm lượng cao được cho thấy là có độ dốc chuyển động cao, cả chức năng lẫn tính bền vững về cơ học.
Sự kết hợp giữa các bậc hai và thứ bậc sinh học
Lớp vỏ mặt đất bắt chước cấu trúc nano của xương có thể tăng cường độ thẩm thấu mà không thay đổi các tính chất cơ học lớn. Các chất điện tử như sự biến đổi, điều trị nhiệt độ thủy nhiệt, và lớp lớp khảo sát bằng cách tạo ra bề mặt nano với bề mặt bề mặt bề mặt bề mặt bề mặt bề mặt bề mặt bề mặt cao và độ ẩm cao. Ví dụ, các chất dẻo được xử lý với bề mặt siêu vi/n không có khả năng tiếp xúc với các hạt vi khuẩn trong các chất độc tố vi khuẩn.
Một phương pháp khác dùng chất khoáng sinh học, nơi cấy ghép được bao phủ bằng một lớp chất khoáng gần giống khoáng chất xương. Chất lỏng mô phỏng (SBF) thường được dùng để cấy ghép xương như chất khoáng, nhưng quá trình này có thể chậm. Các nghiên cứu gần đây tăng tốc độ khoáng chất bằng cách tổng hợp polycitrolate đa động mạch hoặc chất sạc để thu hút can - xi và phosphate. Những lớp này cũng có thể được dùng làm vật liệu vận chuyển cho các chất gây ô nhiễm hoặc các yếu tố tăng trưởng.
Những ứng dụng trong y học tái tạo
Mục tiêu cuối cùng của các chất liệu phân cấp là thay thế hoặc tái tạo các xương bị hư hại. trong chỉnh hình, vật liệu cấy ghép có thể chịu được sự sinh sản của xương hông, đầu gối và cột sống cần vật liệu tích hợp nhanh chóng và chịu đựng được việc nạp chu trình các giàn giáo có khả năng kiểm soát với sự giãn nở nhanh và xương bị phát triển, giảm thời gian phục hồi.
Trong ca phẫu thuật ruột, các giàn giáo đặc trưng của bệnh nhân được thiết kế từ chụp cắt lớp để lấp đầy các khuyết tật phức tạp trong xương. Các vật liệu kết hợp từ từ bị thoái hóa và được thay thế bằng các mô bản xứ loại bỏ nhu cầu cấy ghép. Đối với các vết nứt không có dao động, các chất hydrogel có thể tiêm chứa các chất kích thích tự kết hợp và các phần nano có thể làm đầy các khoang chứa không đều đặn và giúp chữa lành.
Ngoài việc sửa chữa cấu trúc, các vật liệu hóa trị xương đang được khám phá như là nền tảng cho việc phân phối thuốc và liệu pháp ung thư. sự phân chia giai đoạn có thể được nạp vào thuốc kháng sinh, thuốc kháng viêm, hoặc hóa trị, phát tán chúng theo cách kiểm soát như là giàn giáo giảm thiểu.
Công nghệ hướng dẫn và định hướng tương lai
Sản xuất cấp cao tiếp tục đẩy các ranh giới của sự mô phỏng giai cấp 4 máy in không gian in in đồ họa có thể thay đổi hình dạng hay đặc tính theo thời gian để đáp ứng với các kích thích các thiết bị kích thích hoạt động có khả năng thích ứng với môi trường chữa lành sự tích hợp của các thiết bị vi sinh vật đồng và điện tử không dây có thể giúp kiểm tra hiệu suất cấy ghép và tái tạo xương
Bằng cách mô phỏng các phản ứng cơ học và sinh học, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán sự kết hợp giữa các loại ma sát, sợi thẳng hàng, và chất khoáng sẽ sản sản sinh ra hiệu quả tốt nhất, giảm nhu cầu cho thí nghiệm thử nghiệm phân hủy và khủng bố.
Một hướng mới nổi là sử dụng các tế bào sống - các tế bào kết hợp các tế bào hoặc các yếu tố sinh học bị nhiễm khuẩn tế bào. chẳng hạn, việc cấy ghép các giàn giáo trước khi bị nhiễm khuẩn, hoặc các tế bào gốc có cấu trúc cấu trúc mô phỏng cấu trúc mô phỏng không chỉ cấu trúc xương mà còn sự phức tạp sinh học của nó.
Một quan điểm hướng tới trong Tính xã hội ) nhấn mạnh cách kết hợp hóa học tổng hợp với tế bào sinh học sẽ dẫn đến những vật liệu có khả năng tái tạo một cách năng động như xương tự nhiên
Kết luận
Việc nhân bản cấu trúc bậc hai của xương tự nhiên trong vật liệu tổng hợp là một thách thức to lớn mà đòi hỏi sự hợp tác giữa các ngành công nghệ thông qua các vật liệu, hóa học, sinh học và kỹ thuật. những cải tiến này dẫn đến việc cấy ghép và giàn giáo tốt hơn để kết hợp với các mô sống và bắt chước kỹ thuật cơ học và sinh học của xương bản thân.
Khi công nghệ như in 4D, máy học hỏi, và vật liệu sống trưởng thành, khoảng cách giữa xương tổng hợp và tự nhiên sẽ tiếp tục giảm xuống. kết quả cuối cùng là kiên nhẫn, giảm các cuộc phẫu thuật chỉnh sửa, và khả năng tái tạo lại các khuyết tật xương phức tạp - tạo nên một trong những khu vực thú vị và ảnh hưởng lớn nhất của các vật liệu sinh học hiện đại nghiên cứu.