Nanotehnologija pomaže zacjeljivanju kosti

Za ozljedu na koži dovoljan je pamučni zavoj: nekoliko slojeva sterilne gaze. S kostima je mnogo teže. Ozljeđena kost ne zarasta lako, lako se inficira, a kostima treba – zna se – dulje vremena da zacijele nego koži ili mišićnom tkivu. U napoleonskim ratovima komplicirani prijelomi kostiju uopće se nisu liječili, nego se ranjeni ud amputirao, a ranjenik je potom imao izglede 1:1 da se kući živ vrati – jer se naveliko umiralo od gangrene, no i od drugih infekcija. Eto, toliko da se podsjetimo koliko je medicina od  tada – a nema tome više od dva stoljeća – napredovala.

Dok vanjski zavoj mora sprječavati pristup bakterijama a omogućavati pristup zraku, te upijati krv i limfu, zavoj za kostiguided bone regeneration (GBR) membrene – mora činiti mnogo više. GBR-membrana (membrana za vođenu regeneraciju kosti) mora uz sprječavanje pristupa nepoželjnih stanica na ozljeđeno mjesto, omogućiti nesmetani rad osteoblasta, stanica koje izragađuju koštano tkivo. Iz toga proizlazi da GBR-membrana treba imati dva sloja, prvi, tvrdi koji sprječava pristup bakterijama i fibroblastima, i drugi, meki za koji se mogu vezati osteoblasti. Usto mora biti čvrsta, biokompatibilana (ne smije izazivati upalne reakcije), a poželjno je da je nakon nekog vremena organizam sam razgradi. Takve se membrane već koriste u medicini, ali… 

Kažem „ali“, jer neke su čvrste, ali nisu biorazgradive, druge su biorazgradive, ali nisu čvrste. Među prvima nalazimo  membrane od politetrafluoretilena (PTFE), dakle teflona. Takve se membrane moraju, pošto kost zaraste, kirurški odstraniti: muka za kirurga i za pacijenta, da ne govorimo o opasnosti od naknadne infekcije. Druge membrane, one biorazgradive, izrađene su od kolagena, želatine ili kitozana, kemijski modificiranog hitina (polisaharida od kojeg su izgrađene ljušture kukaca i rakova). No te membrane nisu čvrste, a često se razgrade i prije nego ozljeda stigne zacijeliti.

Gdje je rješenje? Rješenje je u njihovoj kombinaciji – u kompozitnom materijalu.

Upravo su takav, kompozitni materijal izradili  kineski znanstvenici koji su rezultate svojih istraživanja objavili u časopisu Matter pod naslovom „Multifunctional bilayer nanocomposite guided bone regeneration membrane“. Riječ „nanokompozitni“ (nanocomposite) odnosi se na komponente membrane: ona se naime sastoji od već spomenutog kitozana (CS), grafen oksida (GO) slojevite strukture,  te ksenolita, nitastoga kalcijeva silikata (CaSi). Otopine se triju komponenata izmiješaju, izliju u Petrijevu zdjelicu, a pošto otapalo ispari, dobiva se čvrsta, oko 0,05 mm debela  membrana. To bi bio prvi sloj.

Drugi, rahli sloj priređuje se od istih komponenti. No kad se otopina kitozana, grafen oksida i ksenolita izlije na čvrsti sloj, ona se ne pusti da se osuši nego se zamrzne uranjanjem u tekući dušik. Kada se iz njega izvadi, stavi se u vakuum da bi otapalo ishlapilo – i ostavilo iza sebe velike šupljine. Tako se dobiva nanokopozitni dvostruki sloj (bilayer) s dvojnom ulogom. Čvrsti će sloj biti okrenut prema van i sprječavati prodor neželjenih stanica, dok će rahli pružati osteoblastima priliku da obnove kost. Tako bi trebalo biti. A kako jest?

Nova membrana izuzetno je čvrsta: može podnijeti vučni tlak od 153 MPa, što znači da je 40 puta čvršća od čisto kitozanskih membrana – a to treba nedvojbeno pripisati „armiranju“ grafen oksidom i ksenolitom. Usto dobro štiti od bakterija. U eksperimentalnim uvjetima GBR-membrana može usporiti rast bakterija za 50 %, no baktericidno djelovanje treba više pripisati kitozanu nego grafen oksidu, dok ksenolit (CaSi) bakterijama ne škodi.

Najvažnije je ipak bilo vidjeti koliko dugo može nova membrana trajati u tijelu, priljepljena za kost. Izložena je djelovanju lizozima u istoj koncentraciji u kojoj se taj enzim nalazi u krvnoj plazmi. I u tom se pokusu nanokompozitni dvosloj ponašao baš onako kako treba. U prvom mjesecu izlaganja lizozimu, nije izgubio praktički ništa na masi. Tek se u drugom mjesecu počeo razgrađivati i to tako da je na kraju mjeseca izgubio samo 10-15 % mase. U trećem mjesecu razgradilo ga se još 25 % dvosloja – što znači da bi za njegovu potpunu razgradnju trebalo pet do sedam mjeseci, a to je dovoljno da kost posve zacijeli.

Trebat će još dosta raditi na novoj GBR-membrani dok ne uđe kao gotov proizvod u kiruršku dvoranu. Toga su svijesni i autori spomenutog rada. A nama ostaje spoznaja da ulazimo u novu eru medicine koja svoj napredak duguje novim, prije svega kompozitnim materijalima. I, dakako, znanstvenoj grani koja iza toga stoji – nanotehnologiji.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik, sada u mirovini. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti pišući za časopise Prirodu (kojoj je sedam godina bio i glavni urednik), Čovjek i svemir, ABC tehnike, Smib, Modru lastu,  te, naravno, BUG online. Autor je više stručnih  i 13 znanstveno-popularnih knjiga, a nedavno mu je izišla još jedna: „Mala škola pisanja (za znanstvenike i popularizatore)“. Urednik je rubrike „Kemija u nastavi“ u časopisu Kemija u industriji, za koji piše i redovite komentare. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.