Nasze kości potrafią się zrastać, ale nie każdy ubytek ortopedyczny jest dla organizmu łatwy do naprawienia. Małe pęknięcie lub dobrze złożone złamanie uruchamia naturalne mechanizmy regeneracji. Inaczej jest wtedy, gdy brakuje większego fragmentu tkanki, uszkodzenie ma nieregularny kształt albo stabilizacja kości wymaga dodatkowego wsparcia. W takich sytuacjach medycyna potrzebuje materiałów, które nie tylko wypełnią wolną przestrzeń, lecz także pomogą komórkom odbudować strukturę kości. W inżynierii tkankowej materiał wspierający odbudowę uszkodzonej tkanki nazywa się rusztowaniem. Nie ma zastąpić kości na stałe, lecz stworzyć środowisko, w którym komórki mogą się przyczepić, przeżyć, namnażać i stopniowo tworzyć nową tkankę. Dlatego powinien dopasowywać się do kształtu ubytku, utrzymywać wodę, nie działać toksycznie i degradować się w kontrolowany sposób.

Zespół badaczek i badaczy z AGH w Krakowie i Uniwersytetu Jagiellońskiego opisał takie materiały w czasopiśmie Sustainable Materials and Technologies. Były to hydrożele kolagenowo-chitozanowe, wzbogacone superparamagnetycznymi nanocząstkami tlenku żelaza, analizowane jako potencjalne rusztowania dla inżynierii tkanki kostnej. Hydrożel można traktować jako silnie uwodnioną sieć polimerową, która zachowuje spójną strukturę i częściowo przypomina środowisko żywych tkanek. W tym przypadku zbudowano ją z kolagenu i chitozanu, czyli biopolimerów dobrze znanych w badaniach biomedycznych. Dodane do niej nanocząstki, określane skrótem SPIONs, ulegają namagnesowaniu w obecności pola magnetycznego, ale po jego wyłączeniu nie pozostają trwałymi magnesami.

Pole magnetyczne ma tu znaczenie praktyczne. Wcześniejsze badania wskazywały, że statyczne pole magnetyczne może wpływać na komórki związane z tworzeniem kości: ich namnażanie, migrację i różnicowanie. Jeśli rusztowanie zawiera nanocząstki reagujące na pole - powstaje układ, w którym zewnętrzny, nieinwazyjny bodziec może pomagać kształtować odpowiedź komórek.

Biofizycy sprawdzali, czy taki materiał jest stabilny, podatny na formowanie, silnie uwodniony i przyjazny dla komórek. Do badania struktury hydrożeli wykorzystali m.in. metody magnetycznego rezonansu jądrowego, które pozwoliły ocenić, jak woda zachowuje się wewnątrz polimerowej sieci. To ważne, ponieważ sposób związania wody mówi wiele o strukturze, porowatości i sztywności hydrożelu.

Uzyskane hydrożele można było dopasowywać do różnych kształtów bez utraty integralności. Po 24 godzinach w buforze osiągały bardzo wysoki współczynnik pęcznienia, rzędu 10 000 – 13 000 procent.

Tak duża zdolność wiązania wody wpływa na transport substancji, warunki dla komórek i sposób degradacji rusztowania. Tempo degradacji zależało od składu hydrożelu. Wstępne testy biologiczne przeprowadzono z użyciem komórek osteoblastopodobnych MG-63, stosowanych w badaniach materiałów dla regeneracji kości. Dodatek nanocząstek magnetycznych nie pogarszał żywotności komórek ani ich przyczepiania się do powierzchni hydrożeli. Po trzech dniach hodowli komórki rosły na wszystkich badanych materiałach, a obecność nanocząstek nie wykazywała działania toksycznego.

Najważniejsza część pracy dotyczyła połączenia hydrożeli magnetycznych ze statycznym polem magnetycznym. Wyniki pokazały, że zarówno obecność nanocząstek, jak i działanie pola wpływały na liczbę komórek oraz ekspresję białek związanych z namnażaniem i różnicowaniem. Szczególnie wyraźne zmiany obserwowano po siedmiu dniach hodowli. Interpretacja tych wyników wymaga ostrożności.

Badacze podkreślają, że są to wyniki wstępne i potrzebne będą dalsze analizy, w tym dłuższe hodowle komórkowe, badania mechanizmów molekularnych i testy w bardziej złożonych warunkach biologicznych. Praca pokazuje jednak, że rusztowanie dla odbudowy kości może być projektowane nie tylko jako bierne wypełnienie ubytku, ale jako materiał reagujący na bodźce i współtworzący warunki, w których komórki zaczynają odbudowywać brakującą tkankę. (PAP)

kmp/ zan/