Перевод статьи «Revolutionizing biodegradable metals» из журнала Materials Today

     Датчики, основанные на клетках  для изучения токсичности

     В экспериментальных условиях необходимо определить среду клетки и то, будет ли она прилегать к поверхности импланта или нет. Если клетка не похожа на  биоразлагаемый имплант, она будет мигрировать от своего положения в любом другом направлении, клетка погибнет либо из-за апоптоза (программируемая клеточная смерть) или от некроза. В случае некроза, клетка теряет целостность мембран и умирает быстро, как при лизисе клеток. В случае апоптоз, клетка прекращает расти и активирует сетевой ген, благодаря которому происходит контролируемая клеточная гибель. Анализы на апоптоз и некроз коммерчески доступны. Также степень пролиферации и цитотоксичности на начальной стадии можно сделать с помощью коммерческой методов анализа. Широко используются полная внутренняя флюорография, двухфотонная микроскопия, микропластинное считывание и конфокальная микроскопия. Потоковая цитометрия для клеточного разделения, (FRET) флуоресцентный резонансный перенос энергии и радиометрические красители для внутриядерного мембранного потенциала, рН, Ca₂ и Mg₂ доступны сегодня.  Эти методы основаны на колориметрии и флуоресценции, они нуждаются в очистке забуференной фосфатом соли и их невозможно использовать для мониторинга в режиме реального времени. Биоразлагаемые металлы будут растворяться в течении очистки PBS (phosphate buffer saline) и инкубации антител, что приводит к смыванию клеток с поверхности имплантата. На самом деле скорость коррозии намного выше в PBS, чем в клеточной среде. Еще один важный момент заключается в том, что биоразлагаемые металлы не прозрачные, поэтому они ограничивают применение оптической микроскопии. Таким образом, новые инженерные инструменты неинвазивной диагностики и неразрушающего структурного анализа необходимы для выявления клеточных ответов, таких как клеточная миграция, распространение и осаждение на поверхность биоразлагаемого металла. Новые инструменты должны быть настроены для специальных ортопедических, нейронных, и сердечнососудистых разработок.

     Инженерные  методы, такие как поверхностный  плазмоно резонанс (SPR),спектроскопия  поверхностного расширения Рамана (SERS), литография и зондирование электродно-клеточного импеданса (ECIS) в настоящее время активно изучаются в сочетании с нанотехнологиями. Измерения клеточной активности иллюстрирует использование ECIS в

магниевой среде. Если предположить, что биоразлагаемые магниевые имплантаты в основном растворяются, как двухвалентных ионы магния (Mg ²⁺), то влияние ионов магния на поведение клеток имеет важное значение. Как показано на рис. 7а,  техника контроля в реальном  времени основанная на ECIS была использована для измерения клеточной пролиферации, миграции, адгезия и цитотоксичности в магниевой среде. Рис. 7, б показывает, что по мере увеличения концентрации Mg  уменьшается сопротивление за счет гибели клеток. Уменьшение количества клеток на ECIS электроде снижает электрический импеданс (комплексное сопротивление).

     Для мониторинга коррозии биоразлагаемых имплантатов в реальном времени имеют важное значение разрушение коррозионного покрытия, поведение внеклеточного покрытия матрицы, образование новых тканей, а также действие лекарств. Проведение ECIS с биореакторами, объединенными с микрофлюидными каналами и механическими возбудителями, могут имитировать более реалистичные условия для имплантата. Комплексные металлические материалы, такие как пористые, имеют наношероховатости или трехмерные структуры, которые могут требоваться для определенных разработок. Для изучения таких материалов, количественный способ контроля клеточного взаимодействия с рН и водородом будет очень важен. Водород в небольшом количестве может быть использован как антиоксидант, который может эффективно нейтрализовать ОН в живой клетке. Таким образом медленное разложение биоразлагаемого имплантата имеет решающее значение для биосовместимости. Рис. 8 иллюстрирует поведение остеобластов U2-OS на подложке магниевого образца. Клетки U2-OS мигрировали в и распространились на поверхности Mg.

     Импланты  с покрытиями из биологически активных материалов, таких как гидроксиапатит, могут способствовать клеточной  адгезии. Трансмембранный белок интегрин – это  адгезивная молекула, которая регистрирует сигнал из окружающей среды, такой как из внеклеточного матрицы внутрь клетки через цитоскелет, а результаты складываются в выражение зависимости факторов роста и цитокинов. Покрытие поверхности имплантов с использованием интегрин-возбуждаюших веществ, способстует леточной адгезии на импланте. Аргинин-глицин-аспарагиновая кислота (RGD) близка к интегринам. Также покрытия из внеклеточной матрицы, такие как коллаген - это еще один способ улучшить биосовместимость.  

     Изображение имплантов в естественных условиях

     Неинвазивное  представление магния и его сплава в естественных условиях является важным для определения стабильности импланта и остеоинтеграции. Рентгеновская микротомография (micro-CT) предоставляет разрешение от мм до мкм, что полезно для испытаний на мелких животных. Сегодня рентгеновской CT или магнитно-резонансная томографии (MRI) объединяются с позитронно-эмиссионной томографией (PET) или сканерами однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT), которые следят за функциональными процессами биологически активных молекул в организме путем введения короткоживущего направленного радиоактивного изотопа в тело. Необлучающие техники, такие как микро MRI и функциональная магнитно-резонансная томография (МРТ), широко используются, и имеют разрешение, которое может быть меньше, чем толщина губчатой кости. Известно, что изотоп магния был использован.

     Синхротронное излучение, вычисляемое микро-томографией (SRμCT), предоставляет большие возможности  для различия магниевых имплантов  и минерализованной кости. Механические свойства, изменяющиеся при разложении магниевых сплавов, можно наблюдать на рис. 9. Адгезии клеток, чувствительность и рентгеновская томография обсуждаются в настоящий момент. 
 
 
 

     Передовые технологии для коррозионного  контроля

     Существует  несколько передовых технологий, которые могут быть использованы для контроля магниевой коррозии. Биоразлагаемые магниевые катушки могут быть поставлены внутри тела, для обеспечения зондирования и работать в теле без проводов. Кроме того, можно сделать умный имплантат, который сможет воспринимать и контролировать свое собственное разложение. Контроль скорости коррозии импланта может быть осуществлен с помощью катоднозащитной техники, в которой внешний ток появляется при обращении к электроду, т.о. внешний ток поляризует катодные элементы чтобы раскрыть потенциала цепи анодов. В таком состоянии потенциал на аноде и катоде стали равными и коррозионный ток становится очень маленьким. Электронный коррозионный контроль позволяет улучшить биосовместимость имплантатов и не требуют разработки специальных сплавов для замедления коррозии. Авторы предполагают, что имплантация конструкционных материалов и медицинского оборудования в тело, включая биоразлагаемые имплантаты, датчики, и электромеханических системы, станет областью Extreme Engineering (экстремальных разработок), где высокосложные устройства будут использоваться для превосхождения биологии, восстановления тела и лечения болезней, которые преследуют человечество на протяжении тысячелетий. Расширяемые имплантаты, такие как биоразлагаемые пластины из ауксетик материалов (материалы, которые разбухают при растяжении) и стенты, могут обеспечить адаптивность имплантата для педиатрических ортопедических приспособлений, для других областей, где имплантат должен менять форму, чтобы занять требующееся место, для обеспечения роста тела, для расширение кровеносных сосудов  или для использования во всевозможных других местах применения, например, в мышцах. Развитие материалов, возможно, является самой важной задачей в разработке биоразлагаемых имплантатов. Таким образом, новые физические системы осаждения из паровой фазы были смоделированы и изготовлены для разработки наноструктурированных магниевых материалов, которые имеют повышенную коррозионную стойкость, что показано на рис. 10. Наноструктурные материалы должны будут использоваться в качестве покрытий для замедления начальной коррозии имплантата. Последним достижением в борьбе с побочными продуктами разложения является разработка стеклянного материала, состоящего из MgZnCa, что значительно снижает выделение водорода по сравнению с кристаллическими материалами.

     Вспомогательные разработки

Возможны  и другие разработки, связанные с  биоразлагаемыми металлами. К ним  относятся разрабатывающиеся наносистемы  доставки лекарств, биоразлагаемые нанороботы, датчики, ногофункциональные  частицы, биогальванические аккумуляторы и электронные компоненты, которые могут растворяться и исчезать. Другие устройства также можно представить. Совершенствование компонентов, обработка поверхностей, металлические нанотрубки и миниатюрные датчики, которые работают внутри тела и которые могут быть оставлены в теле или удалены незначительной операцией, все это находится в стадии разработки.  

     Выводы

     Биоразлагаемые  имплантаты и устройства были показаны для представления эффективной  регенерации тканей и других полезных решений  для биомедицинских задач. Биомедицинский рынок имплантатов  нуждается в этих новых видах  медицинского оборудования и развития биоразлагаемых имплантатов является областью, которая широко открыта  для инноваций. Таким образом, мир материалов перекликается с исследованиями в области металлических, стеклянных  наноматериалов и датчиков, что способствует революционным изменениям в области биоматериалов. 

     Благодарность

     Данная  статья представляет собой обзор  результатов исследований из открытых источников и междисциплинарных  исследований под эгидой NSF ERC для  Совершенствования Металлических  Биоматериалов. Лин Престон и  Леон Эстервидз из Национального  Научного Фонда являются руководителями программы ERC. Более сорока лет исследователи в этом центре разрабатывают металлические биоматериалы и датчики. Авторы выражают благодарность за влад  Харви Боровецу и Уильяму Вагнеру из Университета Питтсбурга, Джонатану Санкар и Сергею Ярмоленко из A&T Государственного Университета Северной Каролины, Фрэнку Витте из медицинской школы Ганновера, и Норберту Хорту из GKSS.