Naukowcy z będącego częścią Sieci Badawczej Łukasiewicz Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki zbadali zdolność grafenu do tworzeniu kości. Uzyskane wyniki mogą być wykorzystane na potrzeby medycyny regeneracyjnej.
Proces starzenia się dotyka społeczeństw wielu krajów rozwiniętych. W Niemczech już teraz osoby po 60. roku życia stanowią ¼ populacji. W Polsce w połowie tego wieku, jak wynika z prognoz GUS, mają one stanowić aż 40 proc. ludności Polski. Wraz z wiekiem zmienia się wydolność i sprawność fizyczna oraz wzrasta częstość występowania wielu chorób. Osoby starsze są też bardziej podatne na urazy – ze względu na często występujące zwyrodnienia i zużycia kości, utratę masy kostnej, a także fakt, że mogą wystąpić problemy ze wzrokiem sprzyjające wypadkom. To powoduje, że nierzadko w podeszłym wieku musimy się liczyć z takimi chorobami, jak osteoporoza, a nawet z koniecznością zastąpienia niektórych części naszego ciała sztucznymi… Chodzi o artroplastykę lub implanty dentystyczne.
Nowoczesna inżynieria tkanki kostnej
Jednym z obecnych trendów nowoczesnej medycyny jest opracowywanie nowych metod regeneracji kości i wykorzystywanie w tym zakresie implantów kostnych. Takie implanty, aby w pełni wykorzystać potencjał inżynierii tkanki kostnej (ang. Bone Tissue Engineering, BTE), powinny charakteryzować się określonymi właściwościami. To dlatego w ostatnich latach zarówno inżynieria tkankowa, jak i medycyna regeneracyjna prezentują coraz bardziej zaawansowane podejście do tworzenia tkanki szkieletowej. Celem jest oczywiście poprawa jakości życia wielu osób.
Nowoczesna inżynieria tkanki kostnej odchodzi od tradycyjnych metod leczenia i wprowadza innowacyjne podejście do regeneracji kości, wykorzystujące trójwymiarowe rusztowania tkankowe ściśle odwzorowujące naturalną macierz zewnątrzkomórkową. Dlaczego? Bo implanty wykonywane z metali nie mają odpowiednich właściwości bioaktywnych i antybakteryjnych. Na całe szczęście takie rusztowania można wytwarzać z wykorzystaniem szerokiej gamy materiałów: ceramiki, materiałów polimerowych stopów metali oraz kompozytów.
Rusztowanie najważniejsze!
To właśnie powierzchnia rusztowania jest jednym z jego najważniejszych elementów, jeśli weźmiemy pod uwagę finalne biomedyczne zastosowanie. Dzieje się tak, ponieważ to swoisty łącznik między trójwymiarową architekturą rusztowania a żywymi komórkami, który ma fundamentalne zadanie – wytworzyć środowisko umożliwiające komórkom przyleganie, proliferację i różnicowanie. Dlatego biologiczne, mechaniczne, fizyczne i chemiczne właściwości powierzchni powinny być w pełni celowo zaprojektowane i wytworzone w taki sposób, aby wywoływać określone zachowania komórek.
Tymczasem wciąż brakuje nowoczesnych porowatych implantów o określonej specyficznej funkcjonalności, które zwiększałyby bioaktywność i interakcję z żywymi komórkami oraz systematycznej oceny proponowanych rozwiązań wykorzystujących wiedzę z zakresu inżynierii materiałowej. W badaniach nad wykorzystaniem grafenu płatkowego, a dokładniej płatków tlenku grafenu (GO), naukowcy z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki we współpracy z multidyscyplinarnym zespołem z Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule w niemieckim Aachen skoncentrowali się na właściwościach osteogenicznych grafenu, czyli zdolności materiału do tworzenia kości oraz jego cechach, które predestynują go zadań specjalnych w medycynie.
Grafen a mocna tkanka kostna
Grafen i jego pochodne to dwuwymiarowe związki węgla o udowodnionej doświadczalnie doskonałej biokompatybilności, odporności mechanicznej i chemicznej. W zależności od rozmiaru, geometrii nanopłatków, stopnia utlenienia i rodzaju tlenowych grup funkcyjnych na powierzchni można w kontrolowany sposób wywoływać pożądane reakcje na żywych komórkach już w skali nanometrycznej.
Okazuje się, że pokrycie ceramicznego lub metalicznego podłoża płatkami grafenu o określonej funkcji umożliwia przekształcenie go w nowoczesne rusztowanie inżynierii tkanki kostnej, którego zadaniem jest jak najwierniejsze odwzorowanie naturalnego środowiska tkanki kostnej. Tak opracowany materiał będzie wspierał tworzenie nowej tkanki nie tylko dzięki swojej architekturze i właściwościom mechanicznym, ale także przez wzmocnioną bioaktywność, rozwinięcie powierzchni oraz hydrofilowość.
Międzynarodowy zespół badaczy odkrył, że aby sprostać temu wyzwaniu, można wykorzystać różne formy płatków grafenu, różniące się pod względem: wielkości (od 100 nm do 60 µm średnicy), zwilżalności, powierzchni właściwej (od 10 m2/g do aż 300 m2g), ilości tlenowych grup funkcyjnych (związanych ze stężeniem węgla: pomiędzy 40–80%) oraz przewodności elektrycznej(od 0 do 25 S/cm). Wszystkie te cechy materiału rusztowania można poprawić poprzez wytworzenie grafenowej powłoki na powierzchni. Wyniki badań zostały zaprezentowane w artykule opublikowanym przez Applied Surface Science.
Czysty grafen z laboratorium Łukasiewicz – IMiF
Praktyczny rezultat badań nie ogranicza się jedynie do zwiększenia osteoinduktywności i hydrofilowości biologicznie nieaktywnej ceramiki, ale również daje szansę na zaprojektowanie i wykonanie nowoczesnego materiału dostępnego dla pacjentów medycyny regeneracyjnej. Zaproponowane przez naukowców rozwiązanie ma też jeszcze jedną olbrzymią korzyść – zmniejsza zagrożenia odrzucenia implantu i dalszej interwencji chirurgicznej. Zastosowanie płatków tlenku grafenu w inżynierii tkankowej polepsza interakcję rusztowania tkankowego z żywymi komórkami,
a jako nośnik leku pomaga zwalczać groźne infekcje. Specjalnie zaprojektowany jest jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań dążących do wytworzenia rusztowania tkankowego o powierzchni spełniającej określone funkcje.
Udane zastosowanie grafenu płatkowego wytworzonego z wykorzystaniem technologii i know-how naukowców z Łukasiewicz – Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki na potrzeby medycyny regeneracyjnej stanowi jednoznaczny dowód na wysoką jakość i czystość grafenu. W biomedycznych zastosowaniach jakość i czystość materiału definiuje odpowiedź biologiczną w badaniach in vitro i in vivo – jakiekolwiek uchybienia na etapie produkcji i zanieczyszczenie materiału skutkuje śmiercią komórek i niemożliwością zastosowania takiego materiału w inżynierii tkankowej. Obecnie w Łukasiewicz – IMiF prowadzone są prace naukowe w kierunku modyfikacji rusztowań wytworzonych z wykorzystaniem stopów metali. Dodatkowo naukowcy wykazali, że rusztowania polimerowe wzbogacane płatkami zredukowanego tlenku grafenu mogą znaleźć zastosowanie w inżynierii tkanki kostnej. Badania prowadzone we współpracy z Wydziałem Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej unaoczniły, jak wiele właściwości powierzchni rusztowania zależy od obecności płatków RGO: chropowatość powierzchni, jej sztywność, hydrofilowość oraz potencjał powierzchniowy.
MK, źródło: Łukasiewicz – IMiF