OXIDUL DE GRAFENĂ, UN NANOMATERIAL EXCEPȚIONAL CU POTENȚIAL DE ÎMBUNĂTĂȚIRE A PERFORMANȚELOR BIOMATERIALELOR COMPOZITE DESTINATE REGENERĂRII TISULARE OSOASE
G.M. Vlăsceanu, A. Serafim, M. Ioniță, H. Iovu
Sănătatea și funcționalitatea sistemelor tisulare în general și în special cele ale țesutului osos sunt recunoscute ca având potențial strategic. Efectele asupra eficienței forței de muncă, performanțelor sportive sau starea de sănătate generală a populației sunt importante și pot deveni definitorii în situații de criză. Ingineria tisulară oferă oportunitatea rezolvării unor afecțiuni traumatice sau degenerative la orice vârstă, dar mai ales la tineri, afecțiuni care ar evolua altfel invalidant, cu efecte pertinente economice și sociale.
La ora actuală, intervențiile ortopedice care vizează repararea defectelor osoase se numără printre cele mai comune proceduri. Așadar, nu este de mirare că pe piață sunt disponibile numeroase tipuri de substituenți sintetici, obținuți dintr-o gamă largă de materiale. Realizarea unui nou implant cu arhitectură complexă este totuși justificabilă, datorită proprietăților caracteristice superioare: un material complex dar ușor și rapid de implantat, imitând arhitectura țesutului osos.
Materialele utilizate la construcția unui implant trebuie să respecte următoarele două criterii: criteriul biochimic și criteriul biomecanic. Conform criteriului biochimic, aplicabilitatea unui material este determinată de biocompatibilitatea sa, iar din punct de vedere biomecanic de rezistența la oboseală, cel mai important parametru, dar nu singurul. Conform principiului sinergiei, prin combinarea judicioasă a două sau mai multe materiale distincte pot fi obținute proprietăți îmbunătățite.
Indiferent de aplicabilitate, proprietățile intrinseci, structurale, ale unui material sunt necesare, dar nu suficiente. Pentru performanțe ridicate, acestea trebuie fasonate la nivel macro și microscopic în paradigma biomimetismului care a fost dovedit că asigură cele mai mari șanse de reușită ale implanturilor de orice natură. În acest sens, este necesară o bună cunoaștere a arhitecturii țesuturilor native pentru replicarea acesteia în țesutul artificial, precum și o precisă evaluare morfo-dimensională a implantului.
În cadrul Facultății de Inginerie Medicală, se implementează un proiect de cercetare inter- și transdisciplinar, „Biosenzor inovativ pe bază de grafenă în vederea testării potențialului osteogenic; înțelegerea avansată a performanțelor celulelor stem pentru medicină regenerativă – GRABTOP”, co-finanțat din Fondul European de Dezvoltare Regională prin Programul Operaţional Competitivitate 2014-2020. Una dintre direcțiile de cercetare abordate de către echipa GRABTOP vizează proiectarea de noi materiale destinate aplicațiilor în ingineria țesuturilor dure.
Una dintre cele mai promițătoare formulări studiate până în momentul de față este reprezentată de un material compozit format din doua componente biopolimerice complementare, gelatina de pește și chitosanul, raforsate cu oxid de grafena – un nanomaterial carbonic excepțional. Procesul de optimizare a rutei de sinteză a acestui nou material multicomponent, precum și caracterizările din punct de vedere structural și morfologic se regăsesc publicate în două articole științifice (doi: 10.3390/coatings10020189; doi: 10.3390/nano10081444) unde sunt descrise pe larg aceste rezultate experimentale care justifică aplicabilitatea compozitului în procesul de fabricare de noi substituenți osoși cu performanță îmbunătățită.
Pentru validarea aplicabilității acestor compozite în regenerarea țesutului osos, recent, acestea au făcut obiectul unui studiu in vivo preclinic, ale cărui rezultate de impact se regăsesc într-un articol științific aflat în curs de publicare. Această investigație a presupus implantarea subcutanată unor eșantioane din aceste materiale în șoareci și investigarea, la diverși timpi, a comportamentului pe care ele l-au manifestat prin raportare la aplicația pentru care au fost proiectate. Ca urmare a testelor in vivo efectuate, a fost pus in evidență potențialul extrem de ridicat de sprijinire a formării de țesut osos – matrice extracelulara bicomponenta de tip organic/anorganic, chiar și în locuri nespecifice fenomenului de biomineralizare (implantare subcutanată). Acest comportament este definit prin caracterul osteoinductiv ectopic.
În ingineria tisulară, țesutul osos ectopic, (din cuvântul grecesc ektopos sau „departe de un loc”), denumește rezultatul osificării suporturilor materiale implantate în locuri nespecifice formării osoase, precum pungile chirurgicale subcutanate. În terminologia clinică termenul are mai degrabă o conotație negativă fiind folosit în descrierea unor malformații congenitale, a unor complicații sau leziuni posttraumatice; totuși, un caracter ectopic asociat formării de țesut osos în locuri nespecifice, validează aproape indubitabil performanțele ridicate pe care materialul suport proiectat le manifestă.
Această ultimă parte a studiului vizează dovedirea caracterului osteoinductiv ectopic prin investigarea amănunțită a biomineralului specific țesutului format în volumul implantului. Abordarea este una mai puțin convențională, vizând corelarea testelor consacrate de imunohistochimie și expresii genice specifice formării osoase cu analize morfostructurale mai rar efectuate pe eșantioane de material explantat. Motivația acestui demers este aceea de a apropia tehnicile specifice investigațiilor biologice de cele ale ingineriei de material, de a stabili o punte de legătură între cele două și de a identica metode încrucișate de validare și suport a rezultatelor independente.
Acest studiu interdisciplinar se bazează pe o echipă de cercetare cu background extrem de variat, incluzând cercetători din Centrul de Cercetări pentru Materiale Polimerice Avansate (APMG), respectiv Facultatea de Inginerie Medicală din Universitatea Politehnica din București, Facultatea de Biologie din Universitatea București și Universitatea Vasile Goldiș din Arad. Complexitatea acestui amplu studiu se datorează și infrastructurii de top de care echipa multidisciplinară a beneficiat, în particular de cea asigurată prin proiectele Biosenzor inovativ pe bază de grafenă în vederea testării potențialului osteogenic; înțelegerea avansată a performanțelor celulelor stem pentru medicină regenerativă – GRABTOP cod SMIS 108117 si Centrul pentru soluții inovatoare de fabricație a biomaterialelor inteligente și suprafețelor biomedicale – INOVABIOMED cod SMIS 107066.
Imagini de microtomografie computerizată ale unui material compozit explantat după 4 săptămâni. Analiza de tomografie computerizată a permis vizualizarea și cuantificarea fazei minerale de neoformație generată (de natură apatitică, specifică osului nativ) în eșantioanele implantate. În reprezentarea explantului, biomineralul apare în domeniile ilustrate în tonuri deschise de gri sau alb. Figurile A1 și A2 surprind explantul în integralitate, B1 și B2 ilustrează secțiuni tridimensionale ale obiectului scanat iar în figura C este prezentată preferențial faza minerală formată în volumul eșantionului.
