Журнал регенеративной медицины

Биоматериалы и биоинженерия

В настоящее время ведутся технологические разработки для разработки непрерывного мониторинга и регулирования уровня глюкозы путем имплантации сенсорных чипов. Ожидается, что технология «лаборатория на чипе» модернизирует диагностику, сделает ее более простой и регулируемой. Другой областью, которая может улучшить здравоохранение завтрашнего дня, является доставка лекарств. Микроиглы могут преодолеть ограничения обычных игл и изучаются для доставки лекарств в разные места человеческого тела. В области изготовления каркасов произошел огромный прогресс, который расширил возможности тканевой инженерии. Большинство новых каркасов для тканевой инженерии представляют собой гидрогели и криогели. Динамические гидрогели имеют широкое применение в тканевой инженерии и доставке лекарств. Кроме того, криогели, будучи супермакропористыми, позволяют прикрепляться и пролиферировать большинству типов клеток млекопитающих и нашли применение в тканевой инженерии и биосепарации.

С точки зрения здравоохранения биоматериалы можно разделить на следующие категории: (1) синтетические (металлы, полимеры, керамика и композиты); (2) Естественного происхождения (животного и растительного происхождения); (3) Полусинтетические или гибридные материалы. Все эти типы биоматериалов используются в здравоохранении уже давно, но последующие разработки повысили их полезность в здравоохранении. Металлы – это класс материалов, которые широко используются для несущих нагрузок. Некоторые из примеров включают проволоку и винты для фиксации переломов пластин и искусственных суставов. При замене тазобедренного сустава бедренные компоненты обычно изготавливаются из сплавов Co-Cr-Mo или Co-Ni-Mo или титановых сплавов. Полимеры в качестве имплантатов или биомедицинских устройств используются в качестве лицевых протезов, трахеальных трубок, частей почек и печени, компонентов сердца и т. д. Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (СВМПЭ) нашел применение в коленных, тазобедренных и плечевых суставах.

Керамика нашла применение в качестве зубных имплантатов или пломбировочных материалов. Поскольку керамика имеет низкую вязкость разрушения, ее применение в качестве несущих материалов ограничено. Композиционные материалы широко используются для протезов конечностей благодаря сочетанию низкой плотности и высокой прочности. Для реставрации зубов широко используются несколько типов композитных материалов, таких как бисфенол А-глицидил-кварц/кремнеземный наполнитель и наполнитель из полиметилметакрилата-стекла. Полимеры природного происхождения, такие как коллаген, желатин, альгинат, гиалуроновая кислота и т. д., широко используются в сфере здравоохранения для изготовления трехмерных (3-D) каркасов для поддержки роста и пролиферации клеток. Такие каркасы, засеянные трехмерными клетками, имитируют нативную ткань хозяина, поэтому имеют важное применение в области регенеративной медицины. Поскольку биоматериалы природного происхождения имеют ограниченную механическую прочность, это ограничивает их применение в областях, несущих нагрузку. Поэтому такие материалы химически модифицируются для улучшения их механических свойств. Примеры включают цепи коллагена, модифицированные лизином и гидроксилизином, ПЭГилированный фибриноген (PF) и т. д.

Первое поколение биоматериалов появилось в 1960-х и 1970-х годах для их применения в качестве медицинских имплантатов. Основная цель при изготовлении этих биоматериалов заключалась в поддержании баланса между физическими и механическими свойствами при минимальной токсичности для тканей хозяина. Идеальными свойствами биоматериалов первого поколения, к которым стремились хирурги, были (1) соответствующие механические свойства; (2) устойчивость к коррозии в водной среде; и (3) не должны вызывать токсичность или канцерогенность в живых тканях. Но биоматериалы второго поколения были разработаны как биоактивные. Дальнейшие разработки в области технологии биоматериалов в настоящее время приводят к распространению биоматериалов третьего поколения, которые могут стимулировать специфический клеточный ответ. Примеры включают биоактивное стекло (3-го поколения) и пористые пенопласты, которые разработаны таким образом, что активируют гены, которые могут стимулировать регенерацию живых тканей. Также предпринимаются усилия по разработке каркасных материалов, обладающих наноразмерными характеристиками, чтобы имитировать нативный внеклеточный матрикс хозяина.

В настоящее время основное внимание исследователей уделяется разработке искусственных тканей (биоматериалов), имеющих те же архитектурные особенности, что и природный аналог. Ожидается, что в ближайшие годы разработка и использование биоматериалов будут расширяться. Новые прогностические методы разрабатываются и становятся доступными, чтобы способствовать развитию инновационных подходов к доступному здравоохранению.