Область биологических применений углеродных наноматериалов расширяется с каждым днем. Тем не менее то, о чем пишут американские исследователи, впечатляет. Речь идет об использовании углеродных нанотрубок для формирования костей.

Для устранения различных дефектов костей, в том числе связанных с удалением опухолей, травмами, патологией развития, в современной медицине применяют трансплантаты, металлические протезы - заменяют утерянную кость искусственным материалом, что ни в коей мере не способствует ее регенерации.

Основными клетками костной ткани являются остеоциты (в растущей кости - остеобласты) – клетки с большим числом отростков, заключенные в межклеточное вещество, содержащее большое количество неорганических солей (главным образом, фосфатов кальция).

Исследователи в области биотехнологии использовали различные материалы в качестве основы для роста остеобластов и образования кости in vitro. В идеале такой материал должен обеспечить адекватное микроокружение как для пролиферации (размножения) и дифференциации костных клеток, так и для формирования минерализованного межклеточного вещества. Остеобласты, которые вырастут на этом материале, должны выполнять все физиологические функции, свойственные человеческой кости. Такой материал может либо рассасываться после роста новых костей, либо оставаться в виде инертной матрицы, на которой будут размножаться клетки и осаждаться новый живой межклеточный материал, образуя в итоге нормально функционирующую кость. Американские ученые считают, что по всем показателям в качестве материала второго типа наилучшим образом подходят углеродные нанотрубки. Плотность нанотрубок близка к плотности графита, то есть намного ниже, чем плотность стали или титана, обычно применяемых для замены кости, и к тому же они чрезвычайно прочные, и их имплантация может не только способствовать регенерации, но и повышать механические свойства поврежденной костной ткани. Углеродные нанотрубки к тому же гибкие и эластичные. Таким образом, налицо все основные свойства опорной структуры кости.

Ранее американские исследователи впервые начали изучение потенциальной возможности использования одностенных углеродных нанотрубок как костного материала и сообщили о минерализации химически функционализированных одностенных нанотрубок гидроксиапатитами. Однако для применения in vivo необходимо исследовать их биосовместимость и возможную токсичность. Информация по этому вопросу пока остается ограниченной и противоречивой.

Для того, чтобы найти наиболее подходящий тип нанотрубок, американские ученые культивировали клетки остеосаркомы крысы на одностенных и многостенных нанотрубках до и после их химической модификации различными способами. Одностенные нанотрубки имели диаметр около 1.5 нм и длину от нескольких сотен нанометров до несколько микрон, диаметры многостенных нанотрубок были в диапазоне от 10 до 30 нм. Одностенные нанотрубки по диаметру близки к коллагеновым волокнам, что делает их идеальной основой для роста кости. Исследователи охарактеризовали пролиферацию остеобластов, морфологию клеток, формирование кристаллов как показатель биосовместимости, а также целостность плазматической мембраны остеобластов как показатель жизнеспособности клеток.

Результаты исследований подтверждают, что остеобласты, культивируемые на электрически нейтральных нанотрубках, растут и образуют минерализованную кость. Химическая модификация нанотрубок, приводящая к появлению результирующего электрического заряда на нанотрубке, замедляет этот рост. Исследователи допускают, что, возможно, дело не только в поверхностном заряде, следует изучить влияние примесей, гидрофобности и гидрофильности. Ученые впервые показали, что электрические характеристики плазматической мембраны остеобластов сохраняются, что доказывает биосовместимость данных нанотрубок. Форма клеток и, возможно, их дифференциация могут контролироваться путем использования одностенных или многостенных нанотрубок.

В целом, полученные результаты говорят о реальной возможности использовать углеродных нанотрубок в качестве альтернативного материала для лечения заболеваний, приводящих к потере кости, с перспективами восстановительного роста нормальной кости. Это, безусловно, успех в области биоинженерии кости.

Источник информации - заметка О.Алексеевой в бюллетене ПерсТ, выпуск 11 за 2006 г.