Кролик, рентген і 20 тижнів: як народжувалась логіка композитів, на якій стоїть ResorBone™

Іноді, щоб по-справжньому зрозуміти, чому сучасний продукт побудований саме так, а не інакше, варто повернутися до одного з перших рецензованих доказів у цій сфері. У 2008 році, у виданні Biomaterials, команда дослідників з Інституту прикладної хімії Китайської академії наук опублікувала роботу, яка сьогодні виглядає майже класичним, майже підручниковим прикладом. Саме через її методологічну простоту, ретельність і послідовність вона досі варта уважного розгляду, особливо для нас, як команди, що розробляє матеріал ResorBone™ для 3D-друкованих імплантів biodrook.

Проблема, яку намагалися вирішити ще 15 років тому

Полі(лактид-ко-гліколід), відомий за абревіатурою PLGA, один із найдетальніше вивчених резорбуючих поліефірів у медицині, з тривалою історією клінічного застосування та підтвердженою безпечністю. Проблема була не в його безпечності, а в біологічній «пасивності»: сам по собі, без додаткових компонентів, PLGA не має власної остеогенної біоактивності, він не стимулює остеобласти активніше синтезувати новий кістковий матрикс, просто механічно займає простір і поступово розкладається. Гідроксиапатит (ГА), навпаки, є структурним і хімічним аналогом мінерального компонента природної кістки. Атомне співвідношення кальцію до фосфору в синтезованому в цьому дослідженні ГА (приблизно 1,67) майже точно відповідає природному апатиту кістки. Але сирий, немодифікований ГА має суттєвий недолік у складі композитів: він схильний до агрегації, злипаючись у частинки розміром 2–5 мкм усередині полімерної матриці, замість того щоб рівномірно розподілитися по поверхні пор скаффолду, де мінерал справді потрібен для контакту з клітинами кістки. Тому дослідники запропонували елегантне рішення: синтезувати гідроксиапатит з поверхневим прищепленням поли(L-лактиду), назвавши результат g-HAP, розраховуючи, що тонкий полімерний шар покращить сумісність кожної частинки ГА з навколишньою PLGA-матрицею й запобігатиме утворенню великих агрегатів. Кількість прищепленого полімеру склала близько 5% від маси частинки, досить тонкий, але, як показали подальші результати, функціонально важливий шар.

Два незалежні тести: перевірка в м’язі і перевірка в справжній кістці

Дослідники протестували три матеріали, чистий PLGA, немодифікований композит HAP/PLGA та новий g-HAP/PLGA, двома паралельними, взаємодоповнюючими шляхами. Перший шлях: інтрамускулярна імплантація 18 кролям, із трьома паралельними зразками кожного матеріалу на тварину. Ця модель дозволяла спостерігати чисту біодеградацію та мінералізацію без жодного впливу механічного навантаження чи природного кісткового мікросередовища. Другий, набагато складніший і клінічно значущий шлях: заміщення справжнього критичного дефекту радіальної кістки, а саме 2-сантиметрового діафізарного дефекту, створеного хірургічно у 12 кролів. У цій частині дослідники додатково перевіряли ефект остеогенного фактора BMP-2, занурюючи скаффолди g-HAP/PLGA в розчин BMP-2 перед імплантацією. Стан імплантів у обох частинах дослідження оцінювали на 4, 8, 12 і 20 тижнях цілою низкою методів: скануючою електронною мікроскопією, комп’ютерною рентгенографією, атомно-емісійною спектрометрією з індуктивно зв’язаною плазмою (ICP-AES) для точного кількісного вимірювання вмісту кальцію, та класичною гістологією з забарвленням гематоксиліном-еозином і трихромом Massona.

Кістка, яка сформувалася як справжня кістка

Результати склали переконливу картину на обох рівнях спостереження. При інтрамускулярній імплантації обидва композитні матеріали виявились суттєво стабільнішими за чистий PLGA і демонстрували подібну динаміку мінералізації та біодеградації протягом усього періоду спостереження. Обидва композити показали здатність до двох можливих результатів: у частині зразків спостерігалася повна, активна мінералізація з різким стрибком вмісту кальцію (аж до 18,7–19% від маси матеріалу до 20-го тижня, майже в шість разів вище за початковий рівень), тоді як паралельні зразки того ж матеріалу переважно резорбувалися. Це двоякий сценарій, що залежав від неконтрольованих локальних факторів мікросередовища навколо кожного конкретного зразка, а не від хімії матеріалу самого по собі. Справжнім тестом на клінічну значущість була саме друга частина дослідження, заповнення реальних кісткових дефектів. Тут результати виявилися однозначними. Композити з гідроксиапатитом забезпечили значно швидше та потужніше формування нової кістки й помітно вищу остеокондуктивність порівняно з чистим полімером, а додавання BMP-2 до g-HAP/PLGA додатково прискорювало цей процес. Через 8 тижнів у групах кальцій-фосфатних композитів кістковий стрижень набув справді цілісної структури: з чітким кортикальним шаром і повноцінно сформованою кістковомозковою порожниною всередині. У групі чистого PLGA дефект залишався частково незаповненим навіть на цьому терміні, а формування кістки відбувалося переважно з периферійного окістя, а не з поверхні самого імпланту. Не менш цікавим виявилося порівняння між модифікованим і немодифікованим варіантом гідроксиапатиту. Поверхнева модифікація g-HAP дійсно забезпечила більш рівномірний розподіл наночастинок по поверхні пор скаффолду порівняно з немодифікованим HAP, де все ж спостерігалася характерна агрегація частинок у скупчення 2–5 мкм. Однак самі автори чесно визнають: незважаючи на це покращення розподілу, кінцева остеокондуктивність та мінералізація в групі g-HAP/PLGA виявилися практично ідентичними до групи немодифікованого HAP/PLGA, попри те, що фактичний вміст гідроксиапатиту в g-HAP/PLGA був дещо нижчим. Це підводить до практичного інженерного висновку самих авторів: саме сумарний рівень кальцію та фосфору, доступний у композиті, а не лише якість розподілу частинок, є ключовим фактором, що визначає остеогенну активність матеріалу.

Ранній, але фундаментальний доказ на шляху до ResorBone™

Це дослідження є одним із ранніх і найбільш показових прикладів у науковій літературі того, чому саме комбінація резорбуючого поліефіру та кальцій-фосфатної фази, а не полімер сам по собі, надійно забезпечує остеокондуктивність кісткового імпланту. За понад п’ятнадцять років, що минули з часу публікації цієї роботи, десятки подальших досліджень, включно з тими, що детально розглянуті в попередніх статтях цього блогу, лише підтвердили, розширили й уточнили цей базовий висновок на різних тваринних моделях, різних співвідношеннях полімеру й мінералу та різних технологіях виготовлення, включно з сучасним 3D-друком. Матеріал ResorBone™, з якого методом 3D-друку виготовляються імпланти biodrook, належить саме до цього широкого класу композитів. У дослідженні 2008 року тестувалася хімічно споріднена, але окрема система g-HAP/PLGA, розроблена в іншій дослідницькій установі, не ResorBone™ і не вироби biodrook. Пряме тестування продукції biodrook на тваринних моделях залишається окремим етапом, який ми розглядаємо як логічне, науково обґрунтоване продовження цієї загальної, вже добре встановленої дослідницької традиції. Накопичена за понад 15 років доказова база щодо композитів «резорбуючий полімер плюс гідроксиапатит», яку ця робота одна з перших системно задокументувала на реальній моделі загоєння кістки, дає обґрунтовану наукову підставу для інженерного підходу, застосованого у ResorBone™.

Джерело:

Zhang P, Hong Z, Yu T, Chen X, Jing X. In vivo mineralization and osteogenesis of nanocomposite scaffold of poly(lactide-co-glycolide) and hydroxyapatite surface-grafted with poly(L-lactide). Biomaterials. 2009;30(1):58–70. doi:10.1016/j.biomaterials.2008.08.041 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.