Biomateriały

1.1.Zastosowanie biomateriałów w inżynierii tkankowej

Analizując zagadnienia biomateriałów oraz dziedziny nauki jaką jest inżynieria tkankowa, należy zaznaczyć, iż jest ona dziedziną interdyscyplinarną, która łączy w sobie wiedzę z zakresu zarówno biologii komórek, medycyny klinicznej, a także nauk ściśle technicznych (biofizyka, biochemia, biomechanika, inżynieria materiałowa oraz biomedyczna)[ Surowska B., Biomateriały metalowe oraz połączenia metal-ceramika, Lublin 2017, s. 118.]. Do podstawowych celów tej dziedziny nauki należy zaliczyć przede wszystkim regenerację uszkodzonych tkanek, narządów wewnętrznych, a także tworzenie nowych tkanek. Z kolei do podstawowych elementów inżynierii tkankowej zalicza się komórki biologiczne, matrycę strukturalną, która umożliwia zasiedlenie komórek oraz czynniki odpowiedzialne za wzrost[ Ibidem., s. 119.].
Warto zaznaczyć również, iż sposób leczenia występujących ubytków tkanek przy wykorzystaniu inżynierii tkankowej zaliczany jest do nowych rozwiązań, w którym pokładane są wielkie nadzieje z zakresu medycyny regeneracyjnej. Dąży ona przede wszystkim do odtwarzania struktur, ale również funkcji tych struktur organizmu, które uległy zniszczeniu[ Laska A., Biomateriały stosowane w inżynierii tkankowej, Łódź 2017, s. 162.].
Głównym założeniem inżynierii tkankowej jest wykorzystywanie macierzystych komórek pacjenta, które pozyskiwane są ze szpiku kostnego lub też z tkanki tłuszczowej. Następnie dochodzi do zasiedlenia nimi wytworzonego rusztowania oraz wszczepienia całej struktury w zmienione chorobowo miejsce lub w miejsce usuniętych tkanek. Wspomniane rusztowanie stanowi szkielet dla komórek, które ulegają namnażaniu. Proces ten obrazuje rysunek numer 1.

Analizując zagadnienia związane z biomateriałami należy również podkreślić, iż ogólne rosnące zainteresowanie inżynierią tkankową oraz wykorzystywanymi rusztowaniami tkankowymi ma swoje źródło w aktualnie występujących ograniczeniach stosowanych sposobów leczenia (przeszczepy tkanek, sztucznych implantów)[ Ibidem., s. 163.]. Głównym celem dotychczas najczęściej stosowanych sposobów leczenia jest wspieranie procesu odbudowy uszkodzonych struktur. W tym zakresie najczęściej wykorzystywane są płytki łączące oraz śruby[ Ibidem., s. 164.].
Do podstawowych problemów związanych z wykorzystywaniem wspomnianych sposobów leczenia zaliczyć należy niewystarczającą podaż tkanek, narządów oraz niedopasowanie na płaszczyźnie zgodności tkankowej, jak również geometrycznej[ Ibidem.]. Z kolei głównym celem inżynierii tkankowej oraz jej wykorzystywania, jest dostarczanie indywidualizowanych wszczepów, które wytwarzane są na bazie macierzystych komórek danego pacjenta. Wpływa to na lepszą reakcję organizmu na samą terapię oraz zapewnia bardziej skuteczne leczenie[ Pamuła E., Biomateriały dla inżynierii tkankowej, Warszawa 2014, s. 19.
].

1.1.1.Rodzaje biomateriałów stosowanych w inżynierii tkankowej

Przechodząc do dokładnego omówienia poszczególnych rodzajów biomateriałów wykorzystywanych w inżynierii tkankowej należy najpierw zdefiniować samo pojęcie biomateriału. Jest on materiałem biozgodnym, który może podlegać długotrwałemu kontaktowi z żywymi tkankami oraz płynami ustrojowymi bez ryzyka wystąpienia negatywnej reakcji organizmu poddawanego terapii[ Ibidem., s. 20.]. Do podstawowych zadań biomateriałów zalicza się częściowe (lub całościowe) zastąpienie tkanki/ organu, a także przejmowanie ich funkcji[ Ibidem., s. 21.].
Warto również wskazać na najważniejsze właściwości biomateriałów, jakie wykorzystywane są w inżynierii tkankowej. Zalicza się do nich:
- biokompatybilność,
- biozgodność,
- bioaktywność oraz biofunkcyjność,
- niewystępowanie reakcji toksycznych oraz alergicznych,
- odpowiednie właściwości powierzchni,
- odpowiednia wytrzymałość zmęczeniowa oraz mechaniczna,
- biodegradowalność[ Surowska B., Biomateriały metalowe oraz połączenia metal-ceramika, Lublin 2017, s. 121.].
Zgodnie z klasycznym podziałem materiałów inżynierskich, biomateriały można podzielić na:
- metale,
- ceramikę,
- polimery,
- biomateriały kompozytowe[ Ibidem., s. 122.].
Należy podkreślić, iż cała inżynieria tkankowa zdominowana jest przez biomateriały polimerowe (w szczególności te biodegradowalne oraz bioresorbowalne), ale także przez bioaktywną ceramikę[ Ibidem., s. 123.]. Aktualnie rozwój kompozytów polimer-ceramika ukierunkowany jest na wzrost stabilności mechanicznej rusztowań komórkowych oraz poprawę interakcji tkankowej[ Ibidem.].

1.1.1.1.Materiały polimerowe

Pierwszą z omawianych grup biomateriałów są polimery. Można podzielić je ze względu na ich pochodzenie na polimery syntetyczne oraz naturalne[ Milewski G., Biomateriały, Wrocław 2015, s. 19.]. Do pierwszej grupy należą: poliestry alifatyczne (polilaktyd PLA, poliglikolid PGA i ich kopolimery oraz polikaprolakton PCL), polimery z grupy krzemoorganicznej, na przykład polidimetylosiloksan PDMS, polihydroksyalkanolany PHA, fumaran polipropylenu PPF i polihydroksymaślany PHB[ Ibidem., s. 20.]. Z kolei do drugiej grupy, określanej również mianem biopolimerów, zaliczyć można polisacharydy (skrobia, chityna, pochodne kwasu hialuronowego) i białka (kolagen, elastyna) oraz różnego rodzaju włókna pełniące funkcję wzmacniającą[ Ibidem., s. 22.].
Zarówno sztucznie pozyskiwane polimery biodegradowalne, jak również te, które nie ulegają degradacji, wytwarzane są w warunkach kontrolowanych co pozwala na przewidywanie oraz powtarzalność ich właściwości fizycznych oraz mechanicznych (moduł Younga, ściskanie, rozciąganie)[ Ibidem.]. Zaletą syntetycznych biomateriałów jest także możliwość kontrolowania ich składu chemicznego, a także występujących w nich zanieczyszczeń[ Świeczko-Żurek B., Biomateriały, Gdańsk 2015, s. 29.].
Do najbardziej powszechnie wykorzystywanych polimerów zaliczyć należy alifatyczne poliestry – polilaktyd (PLA), poliglikolid (PGA) i polikaprolakton (PCL)[ Ibidem., s. 33.]. Ich podstawową cechą jest łatwość przetwarzania oraz bioresorbcja do nietoksycznych substancji (dwutlenek węgla oraz woda)[ Ibidem., s. 34.]. Na rysunku numer 2 przedstawiony został przykładowy proces syntezy dla polikaprolaktonu (PCL).

Rys. 2.: Przebieg syntezy PCL.

Źródło: W. Szlezynger, Tworzywa sztuczne. Polimery specjalne i inżynierskie, t. 2, Rzeszów 2017, s. 112.

W pierwszym etapie syntezy polikaprolaktonu dochodzi do wytworzenia się kwasu nadoctowego w trakcie reakcji kwasu octowego z ditlenkiem wodoru. W następnej kolejności uzyskany kwas nadoctowy reaguje z cykloheksanem, na skutek czego dochodzi do powstania monomeru[ Grolik M., Inżynieria tkankowa - nowe narzędzie w rekonstrukcji tkanek, Kraków 2016, s. 11.]. Proces degradacji do produktów nietoksycznych następuje na skutek hydrolizy oraz zajmuje on stosunkowo dużo czasu, na co wpływ ma stosunkowo wysoka masa cząsteczkowa[ Ibidem., s. 12.].
Analizując proces degradacji w analificznych poliestrach oraz jego szybkość, to podkreślić należy, iż kształtuje się on w następującej kolejności:
- PGA - najszybsza degradacja,
- PLA,
- PCL - najdłuższa degradacja[ Ibidem., s. 13.].
Do podstawowych czynników, które wpływają na proces kinetyki degradacji zaliczyć należy przede wszystkim:
- skład chemiczny,
- konfiguracja struktury,
- sposób przetwarzania materiałów,
- masa molowa,
- czynniki środowiskowe,
- naprężenie,
- występujące odkształcenia,
- krystaliczność,
- występowanie dodatków oraz wypełniaczy[ Ibidem.].
Warto zaznaczyć również, iż proces kontrolowanej degradacji wszczepianych materiałów stanowi jedno z najważniejszych zagadnień, które wciąż poddawane jest pracom badawczym[ Szlezynger W., Tworzywa sztuczne. Polimery specjalne i inżynierskie, t. 2, Rzeszów 2017, s. 113.].
W tabeli numer 1 przedstawione zostały kluczowe cechy PCL ze względu na jego szerokie zastosowanie w inżynierii tkankowej.

Tab. 1.: Cechy PCL.

Źródło: W. Szlezynger, Tworzywa sztuczne. Polimery specjalne i inżynierskie, t. 2, Rzeszów 2017, s. 115.

Podsumowując rozważania na temat zastosowań polimerów zaznaczyć należy, iż w ostatnim dziesięcioleciu największą rolę odgrywają materiały hydrożelowe, do których wytworzenia wykorzystywane są zarówno syntetyczne, jak i naturalne polimery. Usieciowywane są one zarówno poprzez kowalencyjne, jak również niekowalencyjne wiązania chemiczne[ Ibidem., s. 114.]. Wykazują się one zbliżoną strukturą do mikro-molekularnych komponentów organizmu ludzkiego, jak również są biodegradowalne oraz czynnie wspierają formowanie nowej tkanki. Aktualnie wykorzystywane są one do regeneracji kości, a także leczenia chrząstek. Do ich wytwarzania wykorzystywany jest głównie kolagen, alginian, chtozan, PLA oraz kopolimery PPF[ Ibidem.].

1.1.1.2.Materiały ceramiczne

Do następnej kategorii biomateriałów zalicza się bioaktywną ceramikę. Jej główną cechą jest to, iż łatwo tworzy ona połączenie z tkanką o chemicznym charakterze. W szczególności fosforany wapnia charakteryzują się bardzo wysoką biozgodnością, co ma swoje podłoże w ich podobieństwie do kości[ Michalska M., Polimery w medycynie, Gdańsk 2016, s. 17.]. Mają one osteokonduktywne właściwości co oznacza, iż wspierają proces wytwarzania się nowej tkanki kostnej. Mogą one również krystalizować w sole (przykładowo: hydoksyapatyt (HAp) lub trójfosforan wapnia (TCP))[ Ibidem., s. 18.]. Podkreślić należy również, iż hydroksyapatyt (HAp) pod względem chemicznym wykazuje wysokie podobieństwo do naturalnych składników kości oraz twardych tkanek ssaków[ Ibidem.]. Spośród trójfosforanów wapnia (TCP) wyróżnić należy ich odmiany wysoko oraz niskotemperaturowe (odpowiednio α-TCP oraz β-TCP)[ Surowska B., Biomateriały metalowe oraz połączenia metal-ceramika, Lublin 2017, s. 123.].
Warto podkreślić jednak, iż pomimo doskonałych biologicznych właściwości zarówno HAp, jak i TCP, ich wykorzystywanie oraz stosowanie jest bardzo ograniczone. Głównym powodem takiego stanu rzeczy jest zarówno powolna degradacja HAp, jak i niska wytrzymałość mechaniczna, która jest znacznie niższa niż w przypadku naturalnej kości.
Analizując materiały ceramiczne podkreślić należy, iż właściwości syntetycznych fosforanów ulegają zmianie ze względu na zmienny stopień ich krystaliczności, rozmiar ziaren, porowatość, jak również skład chemiczny[ Ibidem., s. 125.]. Z kolei pogorszenie właściwości mechanicznych widoczne jest w szczególności w przypadku wzrostu udziału fazy amorficznej, mikroporowatości, jak również rozmiaru ziaren[ Ibidem., s. 126.].
Należy również wspomnieć o powierzchownie aktywnej ceramice, jaką są bioaktywne szkła. Prowadzą one do silnej osteointegracji z tkanką ludzką po implantacji. Do podstawowych wad omawianego biomateriału zalicza się niskie właściwości mechaniczne, niską odporność na pękanie (szczególnie w przypadku porowatych form) oraz niską odporność na przenoszenie znacznego obciążenia[ Ibidem.]. W tabeli numer 2 zaprezentowane zostały najważniejsze właściwości mechaniczne HAp, bioszkła oraz kości gąbczastej.

Tab. 2.: Właściwości mechaniczne HAp, bioszkła oraz kości gąbczastej.

Źródło: W. Szlezynger, Tworzywa sztuczne. Polimery specjalne i inżynierskie, t. 2, Rzeszów 2017, s. 120.

1.1.1.3.Materiały metalowe

Kolejną grupą biomateriałów są metale, które charakteryzują się najbardziej korzystnymi właściwościami mechanicznymi oraz wytrzymałościowymi spośród wszystkich omawianych biomateriałów[ Jachimowicz M., Projektowanie i wytwarzanie rusztowań stosowanych w rekonstrukcji tkanek biologicznych, Warszawa 2015, s. 101.]. Umożliwiają one szerokie wykorzystanie ich w ortopedii oraz protetyce, jako materiałów narażonych na wytrzymywanie wysokich sił ściskających. Konieczne jest jednak, aby stosowane implanty kości posiadały właściwości mechaniczne, które zbliżone są do kości naturalnych, gdyż mogłoby to doprowadzić do zaniku tkanek naturalnych[ Ibidem., s. 102.].
Materiały metalowe charakteryzują się również wyższymi parametrami mechanicznymi niż struktury naturalne, dlatego też częstym zjawiskiem jest przejmowanie przez nie przenoszonych obciążeń oraz redukowanie gęstości kości[ Ibidem.].
Do niezaprzeczalnych korzyści wykorzystywania materiałów metalowych zalicza się ich właściwości mechaniczne, które umożliwiają implantom przenoszenie wysokich obciążeń. Warto jednak zaznaczyć, iż medyczne wykorzystywanie metali wciąż jest ograniczone, szczególnie ze względu na ich niską bioaktywność oraz stopniowe uwalnianie substancji toksycznych[ Milewski G., Biomateriały, Wrocław 2015, s. 27.].
Do najważniejszych zalet wykorzystywania biomateriałów metalowych zalicza się:
- ich korzystne właściwości i cechy mechaniczne oraz wytrzymałość,
- odporność na ścieranie się,
- wysoką twardość,
- nietworzenie się zakrzepów,
- adekwatne właściwości elektryczne,
- jednorodność,
- wysoka jakość metalurgiczna.
Z kolei do najbardziej powszechnych wad oraz występujących problemów związanych z ich wykorzystaniem zalicza się:
- niską biotolerancję,
- występowanie zjawiska metalozy,
- odporność korozyjna[ Ibidem., s. 28.].
Do głównych materiałów, które wykazują potencjał w ortopedycznych zastosowaniach w zakresie inżynierii tkankowej zalicza się tytan (i jego stopy), stal austenityczną oraz magez (i jego stopy)[ Ibidem., s. 30.]. Warto podkreślić, iż najbardziej pożądanym materiałem jest tytan, szczególnie przez jego unikatowe właściwości. Możliwe jest wytwarzanie rusztowań tkankowych przy jego wykorzystaniu metodą 3D, jak również selektywnym topieniem wiązką lasera[ Szlezynger W., Tworzywa sztuczne. Polimery specjalne i inżynierskie, t. 2, Rzeszów 2017, s. 117.].
Należy podkreślić, iż tytan jest biozgodnym materiałem, jednak nie jest on bioaktywny oraz nie wpływa odpowiednio na przeszczepy tkanek oraz na ich dynamiczny i poprawny rozwój[ Ibidem., s. 118.]. Dobrym rozwiązaniem wspomnianego problemu jest modyfikacja powierzchni poprzek pokrycie rusztowania tkankowego powłoką ceramiczną[ Ibidem., s. 119.].
Warto również podkreślić unikatowe właściwości magnezu, do których zalicza się biozgodność, biodegradowalność oraz wysokie właściwości mechaniczne, które porównywalne są do ludzkiej kości gąbczastej. Dają one możliwość wykorzystywania go w charakterze rusztowania tkankowego służącego do regeneracji tkanki kostnej[ Ibidem.].

1.1.2.Podsumowanie

Podsumowując zagadnienie wykorzystywanych biomateriałów w inżynierii tkankowej, podkreślić należy iż stanowią one wysoce skuteczną alternatywę dla tradycyjnych sposobów leczenia uszkodzeń narządów oraz tkanek[ Grolik M., Inżynieria tkankowa - nowe narzędzie w rekonstrukcji tkanek, Kraków 2016, s. 27.]. Tradycyjnie znane sposoby, do których zalicza się transplantologię oraz wykorzystywanie sztucznych organów, charakteryzują się wysoką problematycznością szczególnie ze względu na wysokie prawdopodobieństwo odrzutu przeszczepu przez organizm biorcy. Problemem jest również brak integracji z tkanką biorcy oraz stosunkowo ograniczony czas użytkowania[ Ibidem., s. 30.].
Wykorzystywanie rusztowań tkankowych z biomateriałów daje możliwość regeneracji zdefektowanych tkanek (kostnych, chrzęstnych, skóry, naczyń krwionośnych oraz tkanki nerwowej). Największy potencjał użytkowy posiadają polimery biodegradowalne, a rusztowania wytworzone przy ich wykorzystaniu degradują w określony sposób oraz w czasie, który dostosowuje się do tempa namnażania się komórek. To z kolei skutecznie eliminuje konieczność usuwania implantów z organizmów wraz z końcem leczenia, a to znacząco zwiększa szanse na powodzenie całej wdrażanej terapii[ Ibidem., s. 31.].