Организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии прорыв в Будущее" корпорацией Байер
|
Скачать 47.43 Kb.
|
| Предлагаем Вашему вниманию самые оригинальные работы конкурса Углеродное чудо http://www.nanometer.ru/2009/03/15/12370683744129.html , организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в Будущее" корпорацией Байер (Bayer MaterialScience). Автор: Ковалёва Елена Сергеевна Композиты УНТ-ГАП – идеальная биоактивная матрица для роста костных тканей Carbon nanotubes / carbonatehydroxyapatite composite - an ideal bioactive scaffold for the growth of bone tissue to promote healing Abstract Hydroxyapatite (HA) has been used in clinical bone graft procedures for more than 25 years, but it has some disadvantages. However, human bone mineral differs in composition from stoichometric HA in that it contains additional ions, of which carbonate is the most abundant specie (~8 wt. %). Carbonated hydroxyapatite (CHA) is a more prospective material for medicine in order to mimic the composition of native bone. It is more soluble and bioactive (osteoinductive) material than stoichiometric HA. The incorporation of carbonate ions has a considerable influence on the physicochemical properties of the solid and hence on the mineralization. However, its poor tensile strength and fracture toughness compared with bone make it unsuitable for major load-bearing devices. Carbon nanotubes (CNTs), with their high aspect ratio and excellent mechanical properties, have the potential to strengthen and toughen CHA without offsetting its bioactivity, thus opening up a wider range of possible clinical uses for the material. CHA is a biologically active calcium phosphate material that is used in surgery to replace and mimic bone. While CHA’s bioactivity means it has a significant ability to promote bone growth along its surface, its mechanical properties are insufficient for major load bearing devices. To combat this problem, current devices could be used CHA combined with other materials, such as polyethylene, yttrium-doped zirconia, and Bioglass. However, significant amounts of the reinforcing phases are needed to achieve the desired properties, and as these phases are either bioinert, significantly less bioactive than CHA, or bioresorbable, the ability of the composite to form a stable interface with bone is poor compared with CHA. An ideal reinforcement material would impart mechanical integrity to the composite at low loadings, without diminishing its bioactivity. CNTs, with their small dimensions, high aspect ratio (length to diameter), and high strength and stiffness, have excellent potential to accomplish this. Even suggested that they may possess some bioactive properties. There is considerable interest in CNTs and their applications, with currently over 400 articles published a month in the field. In particular, their role in composite materials is being increasingly investigated. Several recent studies have shown their ability to improve the mechanical properties of ceramics. Therefore, an interest has developed in applying these findings to incorporate CNTs, for example Baytubes® C 150 HP or Baytubes® C 150 P, into CHA to improve its mechanical properties, thus creating a synthetic bone graft material that can be used in major load-bearing situations. Thus CHA/CNT composite should be with excellent biological and mechanical properties. Затрагиваемые темы:
Ежегодно в области по развитию биоматериалов вкладываются большие денежные средства, но для существенного быстрого и успешного прогресса этих вкладов всё равно не хватает, необходимы дополнительные инвестиции. В США по данным 2003 года средства, выделяемые на исследования в этой области, составили 1.16 млрд. $ к 2006 году эта сумма выросла до 2.3 млрд. $. После 2007 г прогнозируемый рост 25-30% в год. Среди наиболее вероятных потребителей люди старше 65 лет, подверженные остеопорозам и артритам. По прогнозам сумма, выделяемая на профилактику, лечение и операции остеоартрита коленного сустава, с 15 млн. в 2000 г. возрастёт до 19 млн. к 2010 г. В Японии ежегодный рост составляет 6%, а после 2008 г - не менее 20%. Почти в 2 раза меньше на исследования выделяется в Европе, но европейский рынок развивающийся и динамичный. Основные тренды: рост производства синтетических материалов, новые регулирования оборота и использования биоматериалов. Со времени первых попыток использования фосфатов кальция в медицине концепция применения биоматериалов претерпела серьезные изменения. На первый план вышел так называемый регенерационный подход, в рамках которого акцент делается на замещение биоматериала нативной растущей костью, материалу отводят роль (активного) источника необходимых для построения костной ткани элементов, при этом немаловажное значение уделяется опорной функции. В этой связи, в настоящее время считается, что материалы на основе гидроксиапатита имеют следующие недостатки: низкая скорость биорезорбции in vivo, слабое стимулирующее воздействие на рост новой костной ткани (остеоиндукция), низкая трещиностойкость (KIc) и малая усталостная прочность в физиологических условиях. Одним из известных способов повышения резорбируемости керамики на основе ГАП является переход к химическому модифицированию гидроксиапатита. Известно, что в качестве изоморфных примесей в кристаллическую решетку ГАП могут входить различные катионы и анионы. По медико-биологическим причинам круг возможных допантов ограничен. С кристаллохимической точки зрения замена катиона или аниона эффективна для изменения энергии решетки кристалла (и, следовательно, изменения произведения растворимости) и кислотно-основных свойств поверхности (т.е. кинетики процесса растворения). Ожидается, что «идеальный имплантат» должен постепенно растворяться в среде организма (и в идеале выполнять при этом свои опорные функции), а на его месте образовываться новая костная ткань. Очевидно, что резорбтивная функция биоматериала имеет крайне важное значение для успешной интеграции материала в организм наряду с опорной. Скорость регенерации кости зависит от нескольких факторов, таких как пористость, состав, растворимость и присутствие некоторых элементов, которые выходят в ходе резорбции керамического материала, облегчая регенерацию кости, проводимую остеобластами. В связи с вышесказанным, перспективным материалом считается композит на основе карбонатгидроксиапатита (КГА) (рис. 1) и углеродных нанотрубок (УНТ).  Рис.1. Микрофотография нанокристаллического крбонатгидроксиапатита. Костная ткань представляет собой композит: коллаген (20 мас. % - органическая составляющая костной ткани, или костный матрикс), фосфаты кальция (69 мас. % - неорганическая составляющая) и вода (9 масс. %). Коллаген придает тканям организма необходимую механическую прочность при деформациях типа растяжения и изгиба (рис. 2). Молекулы коллагена, состоящие из трех скрученных спирально полипептидных нитей, способны собираться в волокна диаметром 100–2000 нм, что сопоставимо по размерам с УНТ. Прочность костной ткани на сжатие обусловлена минеральной составляющей - фосфатами кальция (преимущественно в форме карбонатгидроксиапатита).  Рис.2. Механические свойства компактной кости и зубного дентина. Углеродные нанотрубки состоят из одной или нескольких (рис.3) свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой. Нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение (рис.4), так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются благодаря силе углеродных связей (sp2). Механическое поведение УНТ в композитах достаточно сложно описать. Предел прочности и коэффициент жесткости углеродных нанотрубок может зависеть от связанности между двумя фазами, зависящей от смачиваемости и площади межфазных границ.  Рис.3. Структура многослойной углеродной нанотрубки.  Рис.4. Диаграмма растяжения (зависимость механического напряжения σ от относительного удлинения ε). Биологическое поведение (токсичность) УНТ зависит от скорости резорбции in vivo, быстрое высвобождение УНТ может причинить вред окружающим тканям. Однако исследование токсичности одностенных УНТ на мышах не выявило каких-либо патологических изменений тканей в течение четырех месяцев эксперимента при сохранении внутри макрофагов печени. Ряд авторов отмечает увеличение биоактивности при использовании УНТ в композитах и усиление регенеративных свойств кости. Таким образом, продукция корпорации Bayer MaterialScience углеродные нанотрубки Baytubes® C 150 HP (чистота »99%) или Baytubes® C 150 P (чистота »95%) с числом слоёв 3-15, диаметром 13-16 нм, длиной 1-»10 мкм имеет большие перспективы для создания биорезорбируемого, прочного и остеоиндуктивного композита на основе карбонатгидроксиапатита. Список использованной литературы
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка: 
