Laboratóriumi patkányokkal végzett kísérletek kimutatták, hogy a grafén alapú szerkezetek (a szén kémiai elemének mindössze egy atom vastagságú „lapjai”) hatékony szövetségesként működhetnek a csontregenerációban, elősegítve a törések vagy a csontvesztés gyógyulását. A tesztek során a grafént tartalmazó biokompatibilis mátrix a kísérleti alanyok által elszenvedett sérülések közel 90%-át kijavította egy hónappal a laboratóriumban előidézett törés után – ez a teljesítmény jobb, mint a kutatásban használt egyéb anyagok.
A bioanyag teljesítményének elemzése a Scientific Reports folyóiratban jelent meg. Daniela Franco Bueno, az Albert Einstein Izraeli Egészségtudományi Karról és Guilherme Lenz e Silva, a Poli-USP-től (São Paulo Egyetem Politechnikai Iskolája) koordinálta a vizsgálatot.
Bueno számára az eredmények jó várakozásokat támasztanak arra vonatkozóan, hogy a megközelítést a nem túl távoli jövőben humán betegekben is alkalmazni fogják. „Ez a technológia a preklinikai fejlesztés előrehaladott szakaszában van” – összegzi. „Van egy egyértelmű út a klinikai vizsgálatokban való alkalmazáshoz a következő lépésekben.”
A kísérletek alapanyagaként a csapat feketelúgot, a papír- és cellulózipar melléktermékét használta, amely többek között oldott fahulladékot és egyéb szerves molekulákat tartalmaz, így sötét oldatot képez (innen ered a név).
A feketelúg feldolgozása során nyert szenet különböző nanometrikus szerkezetű anyagokhoz (a méter milliárdod nagyságrendjében) társították, beleértve magát a grafént, grafén-oxidot és nanografitot. Az utolsó komponens, amely hozzájuk csatlakozik, a kitozán-xantán alapú polimerek, amelyek rákfélékből és baktériumokból származó összetett szerves molekulák.
Bueno elmagyarázza, hogy az ehhez hasonló bioanyagok nem úgy viselkednek, mint a fémből készültek, de nem is egyszerűen visszaszívja őket a szervezet, ahogyan ez történik néhány régóta ismert biológiailag lebomló polimerrel.
„A szövettechnológia keretében ezek az anyagok főként állványként működnek [“andaimes”] bioaktív anyagok” – mondja. „Ezek átmeneti struktúrák, amelyek irányítják, stimulálják és felgyorsítják a csontszövet regenerálódását. Közép- és hosszú távon nem az anyag passzív állandósága történik, hanem a szervezettel való dinamikus kölcsönhatás.”
Minden olyan tényezőktől függ, mint a szénszerkezetek pontos alakja, a részecskék mérete és más anyagokkal való kapcsolat. Ez befolyásolja a bioanyag kapcsolatát a test sejtjeivel, például a makrofágokkal (védelmi sejtek), az oszteoklasztokkal (ezekért felelősek) és az őssejtekkel (amelyek különböző típusú sejtstruktúrákat eredményeznek). Különböző esetekben az anyag lebomolhat vagy átalakítható, fokozatosan új csontszövet képződésével váltható fel, vagy maradvány mennyiségben ott maradhat anélkül, hogy gyulladást okozna és szerkezeti megerősítésként működne.
„A bioanyag sikere éppen az, hogy megszűnik a főszereplő, és átadja helyét a regenerált szöveteknek” – mondja a kutató. Ezt a logikát követve a kitozán és a grafén kombinációja stratégiai fontosságú, mivel mindegyik anyag befolyásolja a sérült csontregenerációs folyamat különböző aspektusait.
Egyrészt a kitozán jobban formálható és szabályozottan bomlik le a szervezetben, ráadásul biokompatibilisebb (vagyis nem utasítja el a szervezet). A grafén viszont kedvez a sejtek tapadásának a helyén, a vaszkularizációnak (új erek kialakulása) és az oszteogén differenciálódásnak – egy olyan folyamatnak, amelyben a különböző típusú csontsejtek speciális funkciókat látnak el.
„Ez a szinergia olyan háromdimenziós struktúrát hoz létre, amely nem csupán fizikai támasz, hanem biológiailag aktív környezet, amely képes arra, hogy a sejteket gyorsabb, szervezettebb és funkcionálisabb módon csontképződésre ösztönözze” – mondja Bueno.
Ahhoz, hogy ez a folyamat valóban megtörténjen, olyan tényezőket kell szabályozni, mint például a bioanyagok mikroarchitektúrája, hogy olyan méretű pórusokkal és kapcsolatokkal rendelkezzenek, amelyek lehetővé teszik az erek és sejtek bejutását, valamint a tápanyagok cseréjét. Figyelembe kell venni az olyan tulajdonságokat is, mint a merevség és az ellenállás, hogy kompatibilisek legyenek a csonttal. Mindezt laboratóriumi gyártási módszerekkel és a 3D nyomtatás alkalmazásával ellenőrzik.
A munkában leírt, Fapesp által támogatott kísérletekben (eljárások (20/12954-2 és 18/18890-6) a csapat különböző összetételű bioanyagokat használt, hogy elősegítse 16 hím patkány sípcsontjában (sípcsontjában) okozott törések regenerálódását. A legjobb teljesítményt minden típusú állványzattal rögzítették.
Az elvárás az, hogy a megközelítés hasznos lesz mind a törések, mind a csontvesztés vagy olyan veleszületett problémák helyreállításában, amelyekben a csont malformációja áll fenn. Ennek elérése érdekében a kutatók azt tervezik, hogy bioanyagokat kombinálnak őssejtekkel, például tejfogak (csecsemő) fogak pulpájából származó anyagokkal, amit a csapat szintén tesztel.
„Az őssejtek és a bioanyagok társítása felgyorsítja a csontképződést, megszervezi a vaszkularizációt és a szöveti integrációt, és hatékonyabbá és biológiailag intelligensebbé teszi a folyamatot. Nem helyettesítjük a szöveteket, hanem megtanítjuk a szervezetet regenerálni” – magyarázza a tanulmány szerzője.
