Коли полімер і мінерал вчаться працювати в парі: історія нанокомпозиту PBLG-g-HA/PLLA

Уявіть конструкцію з двох матеріалів: гнучкого каркасу та твердих блоків, покладених поруч, але не по-справжньому з’єднаних. Під навантаженням така конструкція завжди починає руйнуватися саме на межі двох фаз, там, де вони дотикаються, але не тримаються одна за одну. Це майже буквальна метафора головної інженерної проблеми, з якою десятиліттями бореться розробка кісткових імплантатів. Резорбуючий полімер сам по собі м’який, податливий, дружній до тканин, але біологічно «німий»: він добре розкладається, не викликає токсичної реакції, проте нічим не сигналізує клітинам кістки, що варто активніше ділитися й наростати. Гідроксиапатит (ГА), навпаки, хімічно й структурно є близьким родичем мінеральної складової самої кістки, тому клітини охоче його «впізнають». Але в чистому вигляді ГА крихкий, погано резорбується, і, що найважливіше для інженерії композитів, погано зчіплюється з полімерною матрицею на молекулярному рівні: частинки мінералу мають звичку злипатися у грудки замість рівномірного розподілу по всьому об’єму матеріалу. Саме цю проблему намагалася вирішити команда матеріалознавців і хірургів з Наньчанського та Уханьського університетів у Китаї, опублікувавши в 2014 році в PLoS ONE дослідження композиту з довгою назвою PBLG-g-HA/PLLA. За абревіатурою криється проста ідея: до поверхні кожної наночастинки гідроксиапатиту хімічно «пришивають» молекули полі(γ-бензил-L-глутамату), синтетичного поліпептиду, що слугує молекулярним перехідним шаром між мінералом і полімерною матрицею поли-L-лактиду (PLLA). Принцип не новий сам по собі: поверхнева модифікація неорганічних наповнювачів для покращення сумісності з органічною основою застосовується в матеріалознавстві десятиліттями. Але саме перенесення цього прийому на кальцій-фосфатні кісткові композити стало одним із будівельних блоків цілого напрямку, до якого сьогодні належить і ResorBone™, матеріал, з якого методом 3D-друку виготовляються імпланти biodrook.

Дизайн дослідження: чотири групи, вісімнадцять тварин, три контрольні точки

Дослідники обрали класичну модель двобічного дефекту у стегновій кістці (femoral condyle) щурів лінії Wistar, коли кожна тварина отримала два дефекти одразу, по одному на кожній кінцівці. Це дозволило раціонально розподілити чотири варіанти лікування між 18 тваринами: порожній контрольний дефект, чистий PLLA без наповнювача, немодифікований композит HA/PLLA і, нарешті, новий PBLG-g-HA/PLLA. Скаффолди виготовляли методом термоіндукованого фазового розділення, технологією, яка дає пористу тривимірну структуру без застосування розчинників, залишки яких завжди становлять ризик для навколишньої тканини. Через 2, 4 та 8 тижнів тварин обстежували цілим набором взаємодоповнюючих методів. Мікро-КТ давала об’ємну кількісну картину: скільки саме мінералізованої тканини утворилося у відсотках від загального обсягу дефекту (показник BV/TV). Гістологічне забарвлення гематоксиліном та еозином відкривало загальну архітектуру тканини під світловим мікроскопом, а спеціальне забарвлення Safranin O виявляло ділянки ендохондрального окостеніння, того самого шляху формування кістки через попередню хрящову стадію, яким природно ростуть довгі кістки в ембріональному розвитку. Імуногістохімія на колаген I типу показувала, наскільки активно клітини синтезують основний білковий каркас кісткового матриксу, а TRAP-забарвлення виявляло остеокласти, клітини-«демонтажники», чия надмірна активність могла би свідчити про запальну чи відторгувальну реакцію.

Що показала кістка на кожному етапі

Результати мікро-КТ виявилися послідовними впродовж усього спостереження. Уже на другому тижні обсяг новоутвореної кістки в групах з гідроксиапатитом почав помітно перевищувати показники чистого PLLA, і цей розрив лише зростав до восьмого тижня. Цікавий нюанс: статистично значущої різниці між HA/PLLA і PBLG-g-HA/PLLA виявлено не було на жодній із контрольних точок; обидва варіанти з мінеральним наповнювачем показали приблизно однаковий результат, попри те, що поверхнева модифікація теоретично мала б покращувати розподіл частинок у матриці. Гістологія додала важливих деталей. У групах з ГА кістка формувалася рясно, причому значна її частка утворювалася саме через ендохондральний механізм, що вважається найбільш «природним» шляхом регенерації, максимально наближеним до фізіологічного росту кістки. Забарвлення на колаген I типу показало найвищу експресію саме в групах з мінералом. Це не просто присутність кальцію в тканині, а справжнє, активне дозрівання органічного каркаса, в який потім вбудовуватимуться кристали гідроксиапатиту. А кількість остеокластів статистично не відрізнялася між усіма чотирма групами: жоден із композитів не спровокував надмірної, патологічної резорбції, організм не сприймав матеріал як загрозу.

Що з цього випливає для інженерії композитних матеріалів

Головний висновок цієї роботи виходить далеко за межі конкретної молекули PBLG. Він стосується самого принципу побудови кісткового імпланту: саме присутність кальцій-фосфатної фази в резорбуючій полімерній матриці, а не полімер сам по собі, запускає й підтримує остеокондукцію, здатність матеріалу підтримувати ріст кістки безпосередньо на своїй поверхні. Полімер без мінералу залишається лише тимчасовим механічним каркасом; полімер з правильно інтегрованою мінеральною фазою вже здатен «розмовляти» з клітинами кістки на їхній власній хімічній мові. Ми не застосовуємо в ResorBone™ саме технологію поверхневого прищеплення PBLG, описану в цій роботі, і жодне з досліджень, які ми оглядаємо в цій серії матеріалів, не тестувало ResorBone™ чи вироби biodrook безпосередньо. Однак принцип, покладений в основу PBLG-g-HA/PLLA (резорбуючий полімер, армований кальцій-фосфатною фазою для запуску остеокондукції), це той самий принцип, на якому будується наш матеріал. Кожне нове дослідження такого класу, включно з цим, зміцнює наукове підґрунтя для інженерного напрямку, обраного в розробці ResorBone™.   Ця стаття є науково-популярним оглядом опублікованого дослідження і не є рекламним твердженням про властивості конкретного медичного виробу. Відповідність і клінічну ефективність імплантів biodrook підтверджує власна документація виробника. Джерело: Liao L, Yang S, Miron RJ, Wei J, Zhang Y, Zhang M. Osteogenic Properties of PBLG-g-HA/PLLA Nanocomposites. PLoS ONE. 2014;9(9):e105876. doi:10.1371/journal.pone.0105876