¿Qué son los materiales nanobiocerámicos?
Como material biomédico, las biocerámicas no tienen efectos secundarios tóxicos, tienen buena compatibilidad con los tejidos biológicos y son resistentes a la corrosión. Se han utilizado ampliamente en la fabricación clínica de huesos artificiales, clavos para huesos, dentaduras postizas e implantes dentales. y pulpa. Uñas internas. En la actualidad, la investigación sobre materiales biocerámicos se ha desarrollado desde el reemplazo y relleno a corto plazo hasta la plantación permanente y fuerte, y desde materiales bioinertes hasta materiales bioactivos. Sin embargo, debido a la influencia de los poros y defectos en los materiales cerámicos convencionales, este material tiene un rendimiento deficiente a bajas temperaturas, su módulo elástico es mucho mayor que el del hueso humano, sus propiedades mecánicas no coinciden, es fácil de romper y su resistencia y dureza no cumplen con los requisitos clínicos, lo que limita mucho su aplicación.
La aparición de los nanomateriales ha permitido mejorar enormemente las propiedades biológicas y mecánicas de las biocerámicas. En comparación con los materiales cerámicos convencionales, el tamaño de los poros internos o los defectos en las nanocerámicas se reduce considerablemente y es menos probable que el material cause fractura transgranular, lo que es beneficioso para mejorar la tenacidad a la fractura de los materiales sólidos. Sin embargo, el refinamiento del grano aumenta en gran medida el número de límites de grano, lo que contribuye al deslizamiento entre los límites de grano y permite que los materiales nanocerámicos exhiban una superplasticidad única. Algunos científicos de materiales señalan que las nanocerámicas son una forma estratégica de solucionar la fragilidad de la cerámica. Al mismo tiempo, el efecto superficial inherente de los nanomateriales hace que sus átomos superficiales tengan muchos enlaces colgantes, estén insaturados y tengan una alta actividad química. Esta característica puede aumentar la bioactividad y la capacidad de inducción osteogénica del material y lograr el propósito de una fijación temprana del material implantado en el cuerpo.
Científicos estadounidenses estudiaron las diferencias entre los materiales nanosólidos de alúmina y apatita y los materiales sólidos de alúmina y apatita convencionales en experimentos de simulación in vitro. Los resultados muestran que los materiales nanosólidos tienen mayores capacidades de adsorción y reproducción celular. Sospechan que esto puede deberse a las siguientes razones.
(1) Los materiales nanosólidos se degradan más fácilmente en entornos simulados.
(2) La reducción de los granos de cristal y el tamaño de los poros cambia la rugosidad de la superficie del material y mejora la función similar a la de los osteoblastos.
(3) La superficie de los materiales nanosólidos es más hidrófila, lo que facilita que las células se absorban en ella.
Además, la gente también aprovecha las características de las nanopartículas pequeñas, la gran superficie específica y la alta difusividad para agregar polvo nanocerámico a algunos materiales biocerámicos propuestos para mejorar la densidad y dureza de dichos materiales. como materiales de reemplazo óseo, como cerámicas de alúmina endurecidas con nanoalúmina, cerámicas de circonio endurecidas con nanozirconia, etc. y logró ciertos avances.
Científicos de la Universidad de Sichuan en China crearon un compuesto de cristales de apatita similares a nanohuesos y polímeros de poliamida, y ajustaron el contenido de los nanocristales a la misma proporción que los huesos humanos, desarrollando con éxito nanohuesos. -Como cristales de apatita y polímeros de poliamida. Este hueso nanoartificial es un material bioactivo biomimético compuesto flexible y de alta resistencia. Debido a que este material compuesto tiene una excelente biocompatibilidad, compatibilidad mecánica y actividad biológica, el hueso nanoartificial fabricado con él no sólo puede formar una combinación biológica con el hueso natural, sino que también puede crecer firmemente con los músculos y vasos sanguíneos humanos. También puede inducir la formación de cartílago y sus diversas propiedades son casi equivalentes a las del hueso humano. Además, también imaginan el uso de materiales cerámicos nanosólidos para hacer la cáscara de un globo ocular artificial, de modo que el globo ocular artificial no solo pueda moverse sincrónicamente como un ojo real, sino que también estimule los nervios del cerebro a través de pulsos eléctricos para ver el maravilloso mundo. ; nanobiología ideal Los globos oculares cerámicos se integran bien con la musculatura orbitaria y pueden moverse sincrónicamente.
Entre los materiales inorgánicos no metálicos, los nanomateriales magnéticos han atraído la mayor atención y se han convertido en un punto de investigación en el campo emergente de los biomateriales. En particular, las nanopartículas magnéticas muestran buenos efectos superficiales, con un fuerte aumento en el área de superficie específica, un aumento en la densidad de grupos funcionales y la capacidad de adsorción selectiva, y un aumento en el porcentaje de fármacos o genes portadores. En un sentido físico y biológico, las nanopartículas de nanoferrita paramagnéticas o superparamagnéticas pueden matar tumores calentándolas a 40 ~ 45°C bajo la influencia de un campo magnético externo.
Académicos alemanes informaron sobre la síntesis y las propiedades físicas y químicas de nanopartículas de polisacáridos superparamagnéticos (200 ~ 400 nm) con un contenido de óxido de hierro del 75% ~ 80%. Interactúa con nanosílice para aumentar la resistencia de la matriz de partículas y se ha estudiado la aplicación de partículas nanomagnéticas en biología molecular. Se probaron nanopartículas reforzadas con glucosa y sílice con áreas de superficie específicas. En comparación con las perlas magnéticas artificiales disponibles industrialmente, incluye purificación automática de ADN, detección, separación y purificación de proteínas, detección de retrovirus en materiales biológicos, eliminación de endotoxinas y separación magnética de células. Por ejemplo, en la purificación automatizada de ADN, la capacidad de unión no específica del ADN tipo 1-2 KD se logró con nanopartículas de dextrano y una suspensión de nanopartículas mejorada con SiO2_2 a una concentración de 25 mg/ml. La aplicación de nanopartículas de dextrano reforzadas con sílice atenuó significativamente la señal de fondo. Además, las nanopartículas magnéticas también pueden recubrirse con materiales poliméricos, combinarse con proteínas e inyectarse en el cuerpo humano como portadores de fármacos.
Bajo la acción de un campo magnético externo de 2125×103/π (A/m), la orientación magnética de las nanopartículas magnéticas puede moverlas hacia la lesión, logrando así el propósito del tratamiento direccional: caso Fe3O4, 10 ~ 50n. Este tratamiento local es eficaz y tiene pocos efectos secundarios. Nanotecnología prometedora.
Además, basándose en el hecho de que las nanopartículas de TiO_2 tienen una alta capacidad redox y pueden descomponer proteínas microbianas bajo la luz, los científicos han aplicado las nanopartículas de TiO_2 al tratamiento de células cancerosas. Los resultados de la investigación muestran que las nanopartículas de TiO_2 pueden matar todas las células cancerosas después de 65.438±00 minutos de irradiación ultravioleta.
También hay algunos ejemplos de otras aplicaciones.
A principios de la década de 1980, la gente comenzó a utilizar nanopartículas para separar células y estableció una nueva tecnología utilizando partículas de nanosílice para separar células. El principio básico y el proceso son los siguientes: primero, se preparan nanopartículas de sílice y se controla el tamaño a 15 ~ 20 nm. La estructura es generalmente amorfa y su superficie está cubierta por una sola capa. La elección del recubrimiento depende principalmente del tipo de células a separar. Habitualmente, se selecciona como capa de unión una sustancia con afinidad por las células a separar. El tamaño del compuesto formado al recubrir las nanopartículas de sílice es de unos 30 nanómetros. El segundo paso es preparar una solución coloidal de polivinilpirrolidona que contiene varias células y controlar adecuadamente la concentración de la solución coloidal; el tercer paso es dispersar uniformemente las partículas recubiertas de nanosílice en la solución coloidal de polivinilpirrolidona que contiene una variedad de células y luego separarlas rápidamente. las células requeridas mediante tecnología de centrifugación y principios de gradiente de densidad. Las ventajas de este método son: ① Es fácil formar un gradiente de densidad; ② Las partículas de nanosílice son fáciles de separar de las células. Esto se debe a que las partículas de nanosílice pertenecen a la categoría de vidrio inorgánico y tienen propiedades estables. Generalmente, no reacciona con soluciones coloidales y soluciones biológicas. No contamina las células biológicas y no es fácil de separar.
En función de las diferencias significativas en la sensibilidad y afinidad de los diferentes anticuerpos hacia diversos órganos y tejidos óseos dentro de las células, se selecciona el tipo de anticuerpo y las nanopartículas de oro se mezclan con anticuerpos prerefinados o anticuerpos monoclonales para preparar varios complejos de nanopartículas de oro-anticuerpo. Con la ayuda de partículas compuestas combinadas con varios órganos y sistemas esqueléticos en las células, el complejo aparece de un cierto color característico bajo luz blanca o irradiación de luz monocromática (por ejemplo, las partículas de oro de 10 nm aparecen rojas bajo un microscopio óptico), utilizando así diferentes colores " etiquetas” en varias combinaciones, proporcionando así una técnica de tinción muy necesaria para mejorar la resolución del tejido intracelular.
Después de aplicar biomateriales al cuerpo humano, existe el riesgo de infección asociada en los tejidos circundantes, lo que provocará el fallo de los materiales y la cirugía y provocará un gran dolor a los pacientes. Para ello se han desarrollado algunos nanobiomateriales con propiedades antibacterianas. Por ejemplo, en la reacción de síntesis de nanopolvo de hidroxiapatita, se añade al reactivo una solución acuosa de sales solubles como plata y cobre para permitir que los iones metálicos antibacterianos entren en el producto de cristal de apatita para preparar el micropolvo de apatita antibacteriano para su uso en el relleno de defectos óseos. , etc.
En la actualidad se han descubierto muchos nanomateriales con funciones bactericidas o antivirales. El dióxido de titanio es un tipo de fotocatalizador. El TiO2 ordinario solo puede tener un efecto catalítico cuando se expone a la luz ultravioleta, pero cuando su tamaño de partícula alcanza decenas de nanómetros, tiene un fuerte efecto catalítico siempre que esté expuesto a la luz visible. Los estudios han demostrado que su superficie mata las bacterias al producir iones de radicales libres que destruyen las proteínas de las bacterias y degradan los compuestos tóxicos liberados por las bacterias. En aplicaciones prácticas, se puede agregar nano-TiO2_2 a la totalidad o parte del producto y luego inmovilizarlo con otra sustancia, que liberará lentamente iones de radicales libres a una cierta temperatura, haciendo que el producto tenga funciones bactericidas o antibacterianas. Por ejemplo, si una toalla tratada con TiO2 se irradia con luz visible, los iones de radicales libres liberados por el nano-TiO2 matarán las bacterias de la toalla. El fotocatalizador TiO2_2 es adecuado para su colocación directa en salas de hospitales, quirófanos, espacios habitables y otros lugares donde las bacterias están densamente pobladas.
Después del desarrollo de los últimos años, la investigación sobre materiales nanobiocerámicos ha logrado resultados gratificantes, pero en general, el campo aún está en su infancia y muchas teorías básicas y aplicaciones prácticas requieren más investigación. Por ejemplo, la investigación sobre la tecnología de preparación de nanobiocerámicas: cómo reducir costos y convertirlas en materiales médicos civiles; el desarrollo y utilización de nuevos materiales nanobiocerámicos: cómo hacer que los materiales nanobiocerámicos funcionales pasen de la perspectiva a la realidad; del laboratorio a la clínica lo antes posible; promover vigorosamente el desarrollo de la nanotecnología molecular y realizar la construcción de instrumentos y dispositivos a nivel molecular lo antes posible para proteger la salud humana. Esto requiere la cooperación y los esfuerzos conjuntos de los trabajadores materiales y médicos para lograrlo.