Современные тенденции развития наноматериалов и их применение в медицине

Авторы

DOI:

https://doi.org/10.52889/

Ключевые слова:

наноматериал, регенерация тканей, наночастицы, нанокристаллы

Аннотация

Наноматериалы представляют собой перспективный класс биоматериалов с широким применением в медицине, особенно в тканевой инженерии, травматологии и регенеративной медицине. Среди них наноцеллюлоза, получаемая из возобновляемых растительных источников, выделяется благодаря высокой механической прочности, большой поверхности, биодеградируемости и антимикробным свойствам. Эти характеристики делают ее привлекательной для заживления ран, доставки лекарств и восстановления костной ткани.
Однако наноцеллюлоза не обладает собственной биологической активностью, необходимой для стимуляции регенерации костей. Для решения этой проблемы разрабатываются композиты, объединяющие наноцеллюлозу с остеоактивными материалами - фосфатами кальция, силикатами и углеродными нанотрубками. Такие сочетания улучшают механические свойства, биоактивность и контролируемость деградации, что делает их перспективными для создания костных имплантатов. 
Предклинические исследования, включая модели дефектов бедренной кости у крыс показали, что композиты на основе наноцеллюлозы обеспечивают регенерацию костной ткани на уровне или выше по сравнению с традиционными материалами, такими как аутологичные сгустки крови. Гистологический анализ выявил хорошую интеграцию с тканями, слабую воспалительную реакцию, достаточную васкуляризацию и низкий риск бактериального заражения.
Обзор обобщает достижения в использовании наноцеллюлозы в регенерации костей и травматологии, отмечает ее ограничения, а также перспективы дальнейшего развития и клинического применения. 

Биографии авторов

  • Тулеубаев Б.Е., Медицинский университет Караганды

    Заведующий кафедрой хирургических болезней

  • Косилова Е.Ю., Медицинский университет Караганды

    Ассистент кафедры хирургических болезней

  • Қошанова А.А., Медицинский университет Караганды

    Ассоциированный профессор кафедры хирургических болезней

  • Авромиди И.К., Медицинский университет Караганды

    Интерн факультета «Общая медицина»

Библиографические ссылки

1. Babilotte, J., Guduric, V., Le Nihouannen, D., Naveau, A., Fricain, J. C., Catros, S. (2019). 3D printed polymer–mineral composite biomaterials for bone tissue engineering: Fabrication and characterization. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 107(8), 2579-2595. https://doi.org/10.1002/jbm.b.34348

2. Zhou, W., Tangl, S., Reich, K. M., Kirchweger, F., Liu, Z., Zechner, W., Rausch-Fan, X. (2019). The Influence of Type 2 Diabetes Mellitus on the Osseointegration of Titanium Implants with Different Surface Modifications—A Histomorphometric Study in High-Fat Diet/Low-Dose Streptozotocin–Treated Rats. Implant dentistry, 28(1), 11-19. https://doi.org/10.1097/id.0000000000000836

3. Zhou, W., Kuderer, S., Liu, Z., Ulm, C., Rausch‐Fan, X., & Tangl, S. (2017). Peri‐implant bone remodeling at the interface of three different implant types: a histomorphometric study in mini‐pigs. Clinical Oral Implants Research, 28(11), 1443-1449. https://doi.org/10.1111/clr.13009

4. Mauffrey, C., Barlow, B. T., & Smith, W. (2015). Management of segmental bone defects. JAAOS-Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons, 23(3), 143-153. https://doi.org/10.5435/jaaos-d-14-00018

5. Osorio, D. A., Lee, B. E., Kwiecien, J. M., Wang, X., Shahid, I., Hurley, A. L., & Grandfield, K. (2019). Crosslinked cellulose nanocrystal aerogels as viable bone tissue scaffolds. Acta biomaterialia, 87, 152-165. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.01.049

6. Ho-Shui-Ling, A., Bolander, J., Rustom, L. E., Johnson, A. W., Luyten, F. P., Picart, C. (2018). Bone regeneration strategies: Engineered scaffolds, bioactive molecules and stem cells current stage and future perspectives. Biomaterials, 180, 143-162. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.07.017

7. Waldrop, R., Cheng, J., Devin, C., McGirt, M., Fehlings, M., & Berven, S. (2015). The burden of spinal disorders in the elderly. Neurosurgery, 77, S46-S50. https://doi.org/10.1227/neu.0000000000000950

8. Roseti, L., Parisi, V., Petretta, M., Cavallo, C., Desando, G., Bartolotti, I., & Grigolo, B. (2017). Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives. Materials Science and Engineering: C, 78, 1246-1262. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.05.017

9. Khan, S., Siddique, R., Huanfei, D., Shereen, M. A., Nabi, G., Bai, Q., Bowen, H. (2021). Perspective applications and associated challenges of using nanocellulose in treating bone-related diseases. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9, 616555. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.616555

10. Habibi, Y., Lucia, L. A., & Rojas, O. J. (2010). Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. Chemical reviews, 110(6), 3479-3500. https://doi.org/10.1021/cr900339w

11. Adiga, S. P., Jin, C., Curtiss, L. A., Monteiro‐Riviere, N. A., & Narayan, R. J. (2009). Nanoporous membranes for medical and biological applications. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology, 1(5), 568-581. https://doi.org/10.1002/wnan.50

12. Alshehri, R., Ilyas, A. M., Hasan, A., Arnaout, A., Ahmed, F., & Memic, A. (2016). Carbon nanotubes in biomedical applications: factors, mechanisms, and remedies of toxicity: miniperspective. Journal of medicinal chemistry, 59(18), 8149-8167. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5b01770

13. Usui, Y., Haniu, H., Tsuruoka, S., & Saito, N. (2012). Carbon nanotubes innovate on medical technology. Medicinal Chemistry, 2(02), 105. https://doi.org/10.4172/2161-0444.100010514. Zhang, Y., Bai, Y., & Yan, B. (2010). Functionalized carbon nanotubes for potential medicinal applications. Drug discovery today, 15(11-12), 428-435. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2010.04.005

15. Singh, B. G. P., Baburao, C., Pispati, V., Pathipati, H., Muthy, N., Prassana, S. R. V., & Rathode, B. G. (2012). Carbon nanotubes. A novel drug delivery system. International Journal of Research in Pharmacy and Chemistry, 2(2), 523-532. Available from URL: http://www.researchjournal.gtu.ac.in/News/9.%20Pharmacy%20-Final.pdf

16. Kateb, B., Yamamoto, V., Alizadeh, D., Zhang, L., Manohara, H. M., Bronikowski, M. J., & Badie, B. (2010). Multi-walled carbon nanotube (MWCNT) synthesis, preparation, labeling, and functionalization. In Immunotherapy of Cancer: Methods and Protocols (pp. 307-317). Totowa, NJ: Humana Press. https://doi.org/10.1007/978-1-60761-786-0_18

17. Zhang, W., Zhang, Z., & Zhang, Y. (2011). The application of carbon nanotubes in target drug delivery systems for cancer therapies. Nanoscale research letters, 6, 1-22. https://doi.org/10.1186/1556-276x-6-555

18. Jiang, L., Liu, T., He, H., Pham-Huy, L. A., Li, L., Pham-Huy, C., & Xiao, D. (2012). Adsorption behavior of pazufloxacin mesilate on amino-functionalized carbon nanotubes. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12(9), 7271-7279. https://doi.org/10.1166/jnn.2012.6562

19. Chen, Z., Pierre, D., He, H., Tan, S., Pham-Huy, C., Hong, H., & Huang, J. (2011). Adsorption behavior of epirubicin hydrochloride on carboxylated carbon nanotubes. International journal of pharmaceutics, 405(1-2), 153-161. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2010.11.034

20. Elhissi, A., Ahmed, W., Dhanak, V., & Subramani, K. (2012). Carbon nanotubes in cancer therapy and drug delivery. In Emerging nanotechnologies in dentistry (pp. 347-363). William Andrew Publishing. https://doi.org/10.1016/B978-1-4557-7862-1.00020-1

21. Rosen, Y., Mattix, B., Rao, A., & Alexis, F. (2011). Carbon nanotubes and infectious diseases. Nanomedicine in Health and Disease, 10, 249-267.

22. Lalevée, G., David, L., Montembault, A., Blanchard, K., Meadows, J., Malaise, S., Sudre, G. (2017). Highly stretchable hydrogels from complex coacervation of natural polyelectrolytes. Soft Matter, 13(37), 6594-6605. https://doi.org/10.1039/c7sm01215b

23. Muxika, A., Etxabide, A., Uranga, J., Guerrero, P., & De La Caba, K. (2017). Chitosan as a bioactive polymer: Processing, properties and applications. International journal of biological macromolecules, 105, 1358-1368. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.07.087

24. Wu, L. X., Qiao, Z. R., Cai, W. D., Qiu, W. Y., & Yan, J. K. (2019). Quaternized curdlan/pectin polyelectrolyte

complexes as biocompatible nanovehicles for curcumin. Food Chemistry, 291, 180-186. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.04.029

25. Vijitha, R., Reddy, N. S., Nagaraja, K., Vani, T. J. S., Hanafiah, M. M., Venkateswarlu, K. & Rao, K. M. (2021). Fabrication of polyelectrolyte membranes of pectin graft-copolymers with PVA and their composites with phosphomolybdic acid for drug delivery, toxic metal ion removal, and fuel cell applications. Membranes, 11(10), 792. https://doi.org/10.3390/membranes11100792

26. Efimov, S. V., Matsiyeuskaya, N. V., Boytsova, O. V., Akhieva, L. Y., Kvasova, E. I., Harrison, F., Rossi, J. F. (2021). The effect of azoximer bromide (Polyoxidonium®) in patients hospitalized with coronavirus disease (COVID-19): an open-label, multicentre, interventional clinical study. Drugs in Context, 10, 2020-11. https://doi.org/10.7573/dic.2020-11-1

27. Vainio, U., Lauten, R. A., & Serimaa, R. (2008). Small-angle X-ray scattering and rheological characterization of aqueous lignosulfonate solutions. Langmuir, 24(15), 7735-7743. https://doi.org/10.1021/la800479k

28. Zheng, Y., Wu, Y., Yang, W., Wang, C., Fu, S., & Shen, X. (2006). Preparation, characterization, and drug release in vitro of chitosan-glycyrrhetic acid nanoparticles. Journal of Pharmaceutical Sciences, 95, 181–191.

https://doi.org/10.1002/jps.20399 29. Kesavan, K., Kant, S., Singh, P. N., & Pandit, J. K. (2013). Mucoadhesive chitosan-coated cationic

microemulsion of dexamethasone for ocular delivery: In vitro and in vivo evaluation. Current Eye Research, 38, 342–352. https://doi.org/10.3109/02713683.2012.745879

30. Winkler, J., & Ghosh, S. (2018). Therapeutic potential of fulvic acid in chronic inflammatory diseases and diabetes. Journal of diabetes research, 2018(1), 5391014. https://doi.org/10.1155/2018/5391014

31. Van Eerdenbrugh, B., Van den Mooter, G., & Augustijns, P. (2008). Top-down production of drug nanocrystals: nanosuspension stabilization, miniaturization and transformation into solid products. International journal of pharmaceutics, 364(1), 64-75. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2008.07.023

32. Möschwitzer, J., & Müller, R. H. (2006). New method for the effective production of ultrafine drug nanocrystals. Journal of nanoscience and nanotechnology, 6(9-10), 3145-3153. https://doi.org/10.1166/jnn.2006.480

33. Petersen, R. (2006). Nanocrystals for topical cosmetic formulations and method of production. U.S. Patent Application No. 60/886,233.

34. Sucker, H., & Gassmann, P. (1992). Pharmaceutical compositions improvement. European Patent No. 0580690.

35. List, M., & Sucker, H. (1988). Pharmaceutical colloidal hydrosols for injection. UK Patent No. 2200048.

36. Auweter, H., Bon, H., Heger, R., et al. (2002). Precipitated water-insoluble dyes in colloidal dispersed form. U.S. Patent No. 6494924.

37. Auweter, H., André, V., Horn, D., & Lüddecke, E. (1998). The function of gelatin in controlled precipitation processes of nanosize particles. Journal of dispersion science and technology, 19(2-3), 163-184. https://doi.org/10.1080/01932699808913170

38. Hancock, B. C., & Zografi, G. (1997). Characteristics and significance of the amorphous state in pharmaceutical systems. Journal of pharmaceutical sciences, 86(1), 1-12. https://doi.org/10.1021/js9601896

39. Shegokar, R., & Müller, R. H. (2010). Nanocrystals: industrially feasible multifunctional formulation technology for poorly soluble actives. International journal of pharmaceutics, 399(1-2), 129-139. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2010.07.044

40. Kandhola, G., Park, S., Lim, J. W., Chivers, C., Song, Y. H., Chung, J. H., & Kim, J. W. (2023). Nanomaterialbased scaffolds for tissue engineering applications: a review on graphene, carbon nanotubes and nanocellulose. Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 20(3), 411-433. https://doi.org/10.1007/s13770-023-00530-3

41. Zhang, Y., Jiang, S., Xu, D., et al. (2023). Application of nanocellulose-based aerogels in bone tissue engineering: Current trends and outlooks. Polymers (Basel), 15(10), 2323. https://doi.org/10.3390/polym15102323

42. Malekpour, K., Hazrati, A., Khosrojerdi, A., Roshangar, L., & Ahmadi, M. (2023). An overview to nanocellulose clinical application: Biocompatibility and opportunities in disease treatment. Regenerative Therapy, 24, 630-641. https://doi.org/10.1016/j.reth.2023.10.006

43. Cañas-Gutiérrez, A., Toro, L., Fornaguera, C., Borrós, S., Osorio, M., Castro-Herazo, C., & Arboleda-Toro, D. (2023). Biomineralization in three-dimensional scaffolds based on bacterial nanocellulose for bone tissue engineering: Feature characterization and stem cell differentiation. Polymers, 15(9), 2012. https://doi.org/10.3390/polym15092012

44. Gomez-Gualdrón, D. A., Burgos, J. C., Yu, J., & Balbuena, P. B. (2011). Carbon nanotubes: Engineering biomedical applications. Progress in Molecular Biology and Translational Science, 104, 175–245. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-416020-0.00005-X

45. Lamberti, M., Pedata, P., Sannolo, N., Porto, S., De Rosa, A., Caraglia, M. (2015). Carbon nanotubes: Properties, biomedical applications, advantages and risks in patients and occupationally-exposed workers.

International journal of immunopathology and pharmacology, 28(1), 4-13. https://doi.org/10.1177/0394632015572559

46. Eivazzadeh-Keihan, R., Maleki, A., De La Guardia, M., Bani, M. S., Chenab, K. K., Pashazadeh-Panahi, P., Hamblin, M. R. (2019). Carbon based nanomaterials for tissue engineering of bone: Building new bone on small black scaffolds: A review. Journal of advanced research, 18, 185-201. https://doi.org/10.1016/j.jare.2019.03.011 47. Gultepe, E., Nagesha, D., Sridhar, S., & Amiji, M. (2010). Nanoporous inorganic membranes or coatings for sustained drug delivery in implantable devices. Advanced Drug Delivery Reviews, 62(3), 305–315.

https://doi.org/10.1016/j.addr.2009.11.003

48. Adiga, S. P., Jin, C., Curtiss, L. A., Monteiro‐Riviere, N. A., & Narayan, R. J. (2009). Nanoporous membranes for medical and biological applications. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology, 1(5), 568-581. https://doi.org/10.1002/wnan.50

Опубликован

2025-06-30

Выпуск

Раздел

Статьи

Похожие статьи

1-10 из 15

Вы также можете начать расширеннвй поиск похожих статей для этой статьи.