Nano-hydroksyapatyty w zastosowaniach biomedycznych

Rafał Jakub Wiglusz

Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk, ul. Okólna 2, 50-422 Wrocław

Hydroksyapatyt (HA) jest głównym składnikiem, z którego zbudowane są szkliwo zębowe, zębina oraz kości kręgowców. Apatyty stanowią około 65% masy kości, a ich zawartość zmienia się w zależności od rodzaju kości, a także wieku, sposobu odżywiania i aktywności fizycznej człowieka. W organizmie żywym HA ulega ciągłym procesom rozpuszczania, rekrystalizacji, czy hydrolizy. W sieci krystalicznej tego związku można stwierdzić obecność licznych podstawień izomorficznych. Hydroksyapatyty znalazły zastosowanie w ortopedii, stomatologii, laryngologii i kosmetyce. Domieszkowanie nanohydroksyapatytów jonami metali zwiększa spektrum potencjalnych zastosowań i daje możliwości osiągnięcia lepszych efektów terapeutycznych.

Słowa kluczowe: apatyty, nanohydroksyapatyty, bio-medycyna, stomatologia, kosmetologia

Nanotechnologia jest obecnie najintensywniej rozwijającym się interdyscyplinarnym kierunkiem badań, łączącym osiągnięcia wielu dziedzin nauki. Nanomateria wykazuje bowiem nowe właściwości, inne niż te charakterystyczne w przypadku rozmiarów dla skali mikro, co może zostać wykorzystane w wielu dziedzinach nauki, jak i licznych zastosowaniach. Obserwowany znaczny rozwój w kierunku nauk medycznych i pokrewnych dziedzin nauki jak chemia, czy biologia, związany jest między innymi z możliwością wykorzystania nanocząstek. Materiały przeznaczone do zastosowań biomedycznych powinny charakteryzować się wysoką czułością, a także specyficznością, brakiem toksyczności, długim czasem przechowywania i przydatności oraz możliwością detekcji substancji w obecności innych związków. Biorąc pod uwagę powyższą charakterystykę, apatyty stanowią jeden z najbardziej obiecujących materiałów.

Apatyt (gr. apato, „zwodzić”) jest fosforanem wapnia, który znajduje się w skałach krystalicznych, także na Księżycu, w skałach magmowych oraz osadowych. Tworzy agregaty mineralne (konkrecje) zwane fosforytami. Związek ten jest stosowany do produkcji kwasu fosforowego i nawozów sztucznych, ale ma również znaczenie w jubilerstwie. Światowe zasoby fosforytów są duże, ale nierównomiernie rozmieszczone. Największe złoża występują w Maroku – 60% oraz na Florydzie i w Chinach. Znaczne zasoby występują również są w Algierii, Tunezji, Egipcie, Izraelu, Arabi Saudyjskiej i Kazachstanie. W Polsce złoża apatytu występują w Karpaczu, w Górach Sowich, w okolicach Bielska-Białej i Żywca. Największe znaczenie gospodarcze mają osadowe złoża apatytu zwane fosforytami.

Apatyty – budowa chemiczna
Apatyty to związki nieorganiczne o ogólnym wzorze M10(XO4)6Y2, gdzie M to kationy dwuwartościowe (np. Ca2+, Sr2+, itp.), XO4 = PO43-, VO43-, itp., a Y oznacza aniony typu F-, OH-, Cl-, Br-, itd. Apatyty stechio-metryczne krystalizują w układzie jednoskośnym. Symetria jego sieci krystalicznej opisana jest grupą przestrzenną P21b. Jednoskośny apatyt jest rzadkością, bowiem już niewielkie odstępstwo od stechiometrii powoduje powstanie struktury heksagonalnej. Apatyt syntetyczny, jak i mineralogiczny oraz biologiczny krystalizuje w układzie heksagonalnym. Struktura ta należy do grupy przestrzennej P63/m, dla której kationy zlokalizowane są w pozycjach 4(f) i 6(h) [1] , pozwalając na łatwe podstawienie ich różnowartościowymi kationami. Komórka elementarna hydroksyapatytu Ca10(PO4)6(OH)2 oraz kryształ naturalnego apatytu z rejonów Maroka przedstawiona jest na rys. 1 [1,2].

Właściwości i zastosowanie w medycynie
Hydroksyapatyty są głównymi składnikami kości i zębów. Powstają w czasie biomineralizacji, tworząc twarde struktury, tj. kości. Z jednej strony mogą się bezpośrednio wbudowywać do układu kostnego i dzięki ich biokompatybilności [3,4] z tkankami kostnymi ludzkiego ciała stwarzają możliwości szerokiego zastosowania ich w medycynie. Z drugiej strony są stosowane, jako materiały powlekające części wspólne protez zastępczych, stymulujących wzrost kości na implancie, czy jako bardzo ważny związek używany w chirurgii ucha środkowego. Jednakże, materiały te nie są syntezowane i intensywnie badane w formach nanokrystalicznych [5] , które to formy warunkują potencjalne zastosowanie ich w terapii przeciw-nowotworowej, czy jako nośniki substancji czynnych do kości oraz materiał wykazujący działanie przeciwbakteryjne (Rys.2.) [6].

Dla przykładu uzyskano nanomateriały hydroksyapatytowe do zastosowań biomedycznych o wysokim stopniu krystalizacji, czystości fazowej czy też dużej jednorodności przy zachowaniu relatywnie niskiego stopnia aglomeracji ziaren. Innym istotnym czynnikiem z punktu widzenia bio-aplikacji jest wysoka biokompatybilność proponowanych materiałów dodatkowo oparta na syntezie bez użycia toksycznych rozpuszczalników [4,7]. Ponadto, hydroksyapatyt może zastąpić toksyczny jon w organizmie człowieka przez jego własny jon, np. wapniowy [8].
Dzięki zastosowaniu powłoki nanohydroksyapatytowej na powierzchni metalowych implantów (najczęściej tytanu, stopów tytanu i stali nierdzewnych) następuje zmiana właściwości powierzchni styku implantu z otaczającymi tkankami [9]. Ponieważ HA jest zgodny z tkankami naszego ciała i izoluje implant od sąsiadujących tkanek, to następuje zmniejszenie odpowiedzi immunologicznej ze strony naszego organizmu w porównaniu z materiałami wykonanymi bez powłoki hydroksyapatytowej [10]. Ułatwia to proces gojenia, rozpoczęcie rehabilitacji oraz szybszy powrót pacjentów do zdrowia.

Formy stosowanych biomateriałów są również dostosowane do charakteru i rozległości ubytku kości. Hydroksyapatyty mają postać proszków, porowatych bloków lub kulek, dzięki czemu mogą ściśle upakować się w dowolnej przestrzeni. Ma to miejsce po amputacji dużego fragmentu kości w wyniku zaawansowanego procesu nowotworowego lub gdy wymaga tego konieczność rekonstrukcji stomatologicznych (szczękowo-twarzowych). Takie wypełnienie kości początkowo stanowi rusztowanie, następnie sprzyja naturalnemu odtwarzaniu ubytku kostnego, a co najważniejsze – jest alternatywą dla przeszczepów kostnych [11].
Poważnym ograniczeniem stosowania tego typu wypełnień były wcześniej niezadowalające parametry mechaniczne czystego hydroksyapatytu, związane z niską wytrzymałością mechaniczną i odpornością na pękanie [12] oraz małą stabilnością termiczną [13]. Rozwiązaniem tych proble-mów jest stosowanie fluoroapatytów, które chara-kteryzują się korzystnie-jszymi właściwościami [13]. Również wyniki badań [14] po zastosowaniu próbek z zębów kalcynowanego ludzkiego szkliwa i po spiekaniu w wyższych temperaturach (1200 °C, 1300° C) wskazują na poprawę właściwości tj. mikrotwardość i wytrzymałość na ściskanie. Daje to nadzieję na otrzymanie żądanych parametrów tych biozwiązków.
Obecnie obserwuje się rozwój nowej gamy hydroksyapatytów o rozmiarach nanometrycznych o dużym znaczeniu w dziedzinie implantów medycznych charakteryzujących się dodatkowymi atrybutami. Zastosowanie nowej technologii umożliwiło otrzymanie takich domieszkowanych hydroksyapatytów, które stanowią oprócz powłoki kostnej oraz cementów kostnych o korzystnych parametrach tj. twardość, rozpuszczalność, porowatość, ładunek powierzchniowy, wykazujące także właściwości przeciwbakteryjne [15].
Domieszkowanie hydroksyapatytów poprzez wbudo-wanie jonów różnych metali rozszerza możliwości zastosowania tych materiałów, zwłaszcza przez wbudowanie trójwartościowych jonów lantanowców [16,17]. W takim przypadku kompensacja ładunku zaproponowana przez P. Martin i in. [18], pozwala w łatwy sposób wyjaśnić mechanizm zastępowania dwuwartościowych jonów wapnia przez trójwartościowe jony lantanowców w apatytach. Właściwości lumine-scencyjne jonów ziem rzadkich sprawiają, że domie-szkowane nanokrystaliczne apatyty są bardzo atrakcyjne jako luminescencyjne bio-sensory [19].
Jony Mn2+ zwiększają adhezję komórek, podczas gdy jony Fe3+ mają właściwości magnetyczne [20]. Obecnie bada się zastosowanie hydroksyapatytów w terapii przeciwnowotworowej. Magnetyczne nanocząsteczki hydroksyapatytu z dodatkiem Fe2+ były testowane na myszach podczas terapii hipertermicznej. Te badania in vivo wskazują, że środek ten wprowadzony w okolice guza i pod wpływem pola magnetycznego zmniejszał jego objętość nowotworu [21]. Kolejna właściwość związana ze strukturą porowatą implantów hydroksyapatytowych pozwala je stosować jako nośniki leków do kości [22,23]. Wówczas leczenie stanów zapalnych w obrębie kości i stawów związane często z zabiegami chirurgicznymi oraz powikłaniami pooperacyjnymi, może mieć charakter terapii celowanej. Lek ma szansę dotrzeć w odpowiednim stężeniu do miejsca infekcji i skrócić czas hospitalizacji i ułatwić powrót pacjentowi do sprawności.

Podsumowanie
W ostatnich latach prowadzone są intensywne badania nad otrzymaniem biomateriałów hydroksyapatytowch o pożądanych właściwościach biologicznych, fizycznych oraz mechanicznych. Hydroksyapatyty i ich domie-szkowane pochodne stanowią grupę interesujących związków o szerokich zastosowaniach w medycynie. Właściwości fizyczne i chemiczne oraz biozgodność z ludzkimi tkankami czyni je bardzo atrakcyjnym obiektem badań in vivo i in vitro. Daje to nadzieję na przywrócenie sprawności pacjentom po silnych urazach mechanicznych kości oraz po przebytych chorobach nowotworowych z towarzyszącą im koniecznością amputacji fragmentu kości. W związku z tym oczekuje się nowych kierunków badań i zastosowań.

Cały artykuł wraz z literaturą w formacie pdf dostępny jest po kontakcie z redakcją openin.pl