Обзор биоактивного стекла: от работ Хенча до гибридных материалов

Биоактивные стекла, как сообщается, способны стимулировать более выраженную регенерацию кости, чем другие биоактивные керамики, однако по коммерческому успеху они им уступают. Биоактивное стекло пока не реализовало свой потенциал, но исследовательская активность в этой области растет. В статье рассматривается современное состояние проблемы, начиная с существующих продуктов и переходя к последним разработкам. 45S5 Bioglass® Ларри Хенча было первым искусственным материалом, для которого было показано образование химической связи с костью, что и положило начало области биоактивной керамики. Исследования in vivo показали, что биоактивные стекла связываются с костью быстрее, чем другие биокерамические материалы, а исследования in vitro указывают, что их остеогенные свойства связаны с тем, что продукты их растворения стимулируют клетки-предшественники остеогенеза на генетическом уровне. Однако в клинике шире используются фосфаты кальция, такие как трикальцийфосфат, и синтетический гидроксиапатит. Часть причин носит коммерческий характер, но другие связаны с научными ограничениями исходного Bioglass 45S5. Например, из Bioglass 45S5 трудно получать пористые матрицы из биоактивного стекла для регенерации кости, поскольку при спекании оно кристаллизуется. В последнее время эту проблему удалось преодолеть благодаря пониманию того, как можно подбирать состав стекла так, чтобы предотвратить кристаллизацию. Проблем с спеканием можно также избежать, синтезируя золь-гель-стекло, в котором силикатная сетка формируется при комнатной температуре. Развитие технологий вспенивания, аддитивного формообразования и формирования нанофибр позволило получать пористые каркасы из биоактивного стекла как из стекол, полученных плавлением, так и из золь-гель-стекол. Идеальный каркас для регенерации кости должен разделять нагрузку с костью. Биокерамика не может этого обеспечить при циклической нагрузке на костный дефект, поскольку она хрупкая. Чтобы преодолеть это ограничение, синтезируют полимерные гибриды на основе биоактивного стекла, которые потенциально могут быть более вязкими и при этом демонстрировать согласованную деградацию биоактивного неорганического и полимерного компонентов. Ключевое значение имеет создание нановзаимопроникающих сеток, органический и неорганический компоненты которых ковалентно связаны между собой; это требует тщательного контроля химии золь-гель-процесса. В настоящее время также можно синтезировать биоактивные наночастицы и отслеживать их судьбу по мере внутриклеточного поглощения. В статье рассматриваются основные достижения в области биоактивного стекла и его вариантов, включая значение контроля иерархической структуры, синтеза, обработки и клеточного ответа в поиске новых синтетических костных регенератов. Статья проводит читателя от Bioglass 45S5 Хенча к новым гибридным материалам с настраиваемыми механическими свойствами и скоростью деградации.