Пред неколку дена, разговарав со еден пријател на чај, и тој на шега ми рече: „Алумината што ја истражувате цело време, не е ли таа само суровина за керамички чаши и шмиргла?“ Ова ме остави без зборови. Всушност, во очите на обичните луѓе,прав од алуминиуме само индустриски материјал, но во нашиот круг на биомедицински инженеринг, тоа е скриен „мултитаскинг“. Денес, да разговараме за тоа како овој навидум обичен бел прав тивко се инфилтрирал во областа на биолошките науки.
I. Почнувајќи од Ортопедската клиника
Она што ме импресионираше најмногу беше ортопедската конференција на која присуствував минатата година. Еден стар професор презентираше податоци од петнаесет години следење на вештачките замени на зглобови од алуминиумска керамика - со стапка на преживување што надминува 95%, што ги воодушеви сите присутни млади лекари. Зошто да изберете алуминиумска оксидација? Зад неа стои многу наука. Прво, нејзината тврдост е доволно висока, а отпорноста на абење е многу посилна од традиционалните метални материјали. Нашите човечки зглобови издржуваат илјадници триења секој ден. Традиционалните протези метал-на-пластика со текот на времето ќе произведат остатоци од абење, предизвикувајќи воспаление и ресорпција на коските. Сепак, стапката на абење на алуминиумската керамика е само еден процент од онаа на традиционалните материјали, револуционерна бројка во клиничката пракса.
Уште подобра е нејзината биокомпатибилност. Нашата лабораторија спроведе експерименти со клеточни култури и откри дека остеобластите се прицврстуваат и се размножуваат подобро на површината на алуминиумот отколку на некои метални површини. Ова објаснува зошто, клинички, протезите од алуминиум се врзуваат особено силно со коската. Сепак, важно е да се напомене дека не само било коиправ од алуминиумможе да се користи. Медицинскиот алуминиум оксид бара чистота од над 99,9%, со големина на кристалните зрна контролирана на микронско ниво, и мора да помине низ посебен процес на синтерување. Тоа е како готвење - обичната сол и морската сол можат да ја зачинат храната, но рестораните од висока класа избираат сол од специфично потекло.
II. „Невидливиот чувар“ во стоматологијата
Ако сте биле во модерна стоматолошка клиника, веројатно веќе сте се сретнале со алумина. Многу од популарните целосно керамички коронки се направени од керамички прав од алумина. Традиционалните метал-керамички коронки имаат два проблема: прво, металот влијае на естетиката, а линијата на непцата е склона кон сина боја; второ, некои луѓе се алергични на метал. Целосно керамичките коронки од алумина ги решаваат овие проблеми. Нивната проѕирност е многу слична на природните заби, а реставрациите што произлегуваат од тоа се толку природни што дури и стоматолозите мора внимателно да погледнат за да ја забележат разликата. Еден виш забен техничар што го познавам употреби многу соодветна аналогија: „Керамичкиот прав од алумина е како тесто - многу е податлив и може да се обликува во различни форми; но по синтерувањето, станува тврд како камен, доволно силен за да скрши ореви (иако всушност не препорачуваме да го правите тоа)“. Уште попопуларни во последниве години се 3D печатените коронки од алумина. Преку дигитално скенирање и дизајн, тие се печатат директно со употреба на кашеста маса од алумина, постигнувајќи точност од десетици микрометри. Пациентите можат да дојдат наутро и да си заминат со своите коронки навечер - нешто незамисливо пред десет години.
III. „Прецизна навигација“ во системите за испорака на лекови
Истражувањата во оваа област се особено интересни. Бидејќи правот од алуминиум оксид има многу активни места на својата површина, тој може да ги адсорбира молекулите на лекови како магнет, а потоа полека да ги ослободи. Нашиот тим спроведе експерименти користејќи порозни микросфери од алуминиум оксид натоварени со лекови против рак. Концентрацијата на лекот на местото на туморот беше 3-5 пати поголема отколку со традиционалните методи на испорака на лекови, додека системските несакани ефекти беа значително намалени. Принципот не е тешко да се разбере: со правењеправ од алуминиумr во нано- или микро честички и модифицирање на површината, може да се поврзе со таргетирање на молекули, како што е давање на лекот систем „GPS навигација“ за да оди директно до лезијата. Покрај тоа, алумината на крајот се распаѓа во алуминиумски јони во телото, кои можат да бидат метаболизирани од телото во нормални дози и нема да се акумулираат долгорочно. Еден колега кој ја проучува целната терапија за рак на црниот дроб ми кажа дека користеле наночестички од алумина за да достават хемотерапевтски лекови, зголемувајќи ја стапката на инхибиција на туморот за 40% кај глувчешки модел. „Клучот е да се контролира големината на честичките; 100-200 нанометри е идеално - премногу мали и лесно се отстрануваат од бубрезите, премногу големи и не можат да влезат во туморското ткиво.“ Овој вид детали е суштината на истражувањето.
IV. „Осетливи сонди“ во биосензори
Алуминиумот, исто така, игра значајна улога во раната дијагноза на болести. Неговата површина може лесно да се модифицира со разни биомолекули, како што се антитела, ензими и ДНК сонди, за да се создадат високо чувствителни биосензори. На пример, некои мерачи на гликоза во крвта сега користат сензорски чипови базирани на алуминиум. Гликозата во крвта реагира со ензимите на чипот за да произведе електричен сигнал, а слојот од алуминиум го засилува овој сигнал, правејќи го откривањето попрецизно. Традиционалните методи на тест ленти може да имаат стапка на грешка од 15%, додека сензорите од алуминиум можат да ја задржат грешката во рамките на 5%, што е значајна разлика за пациентите со дијабетес. Уште понапредни се сензорите што детектираат биомаркери на рак. Минатата година, статија во списанието *Biomaterials* покажа дека користењето на низи од алуминиумски наножици за откривање на специфичен антиген за простата резултирало со чувствителност два реда поголема од конвенционалните методи, што значи дека можеби е можно да се откријат знаци на рак во многу порана фаза.
V. „Поддршка за скеле“ во ткивно инженерство
Ткивното инженерство е актуелна тема во биомедицината. Едноставно кажано, тоа вклучува култивирање на живо ткиво ин витро, а потоа и трансплантација во телото. Еден од најголемите предизвици е материјалот за скелето - тој мора да обезбеди потпора за клетките без да предизвика токсични несакани ефекти. Порозните скелиња од алуминиум ја пронајдоа својата ниша тука. Со контролирање на условите на процесот, можно е да се создадат структури слични на сунѓер од алуминиум со порозност што надминува 80%, со големини на порите токму соодветни за клетките да растат во нив, дозволувајќи хранливите материи слободно да течат. Нашата лабораторија се обиде да користи скелиња од алуминиум за култивирање на коскеното ткиво, а резултатите беа неочекувано добри. Остеобластите не само што преживеаа добро, туку и лачеа повеќе коскена матрица. Анализата покажа дека малата грубост на површината на алуминиумот всушност ја промовираше експресијата на клеточната функција, што беше пријатно изненадување.
VI. Предизвици и перспективи
Секако, примената наалуминаВо медицинската област не е без свои предизвици. Прво, тука е проблемот со трошоците; процесот на подготовка на алуминиум оксид од медицински квалитет е сложен, што го прави десетици пати поскап од алуминиум оксид од индустриски квалитет. Второ, податоците за долгорочната безбедност сè уште се акумулираат. Иако сегашните перспективи се оптимистички, научната строгост бара континуирано следење. Покрај тоа, биолошките ефекти на нано-алумината бараат понатамошно длабинско истражување. Наноматеријалите имаат уникатни својства, а дали тие се корисни или штетни зависи од солидни експериментални податоци. Сепак, перспективите се светли. Некои тимови сега истражуваат интелигентни материјали од алуминиум оксид - на пример, носачи кои ослободуваат лекови само при специфични pH вредности или под дејство на ензими, или материјали за поправка на коските кои ослободуваат фактори на раст како одговор на промените на стресот. Откритијата во овие области ќе ги револуционизираат методите на лекување.
Откако го слушна сето ова, мојот пријател забележа: „Никогаш не замислував дека има толку многу во овој бел прав“. Всушност, убавината на науката често е скриена во обичното. Патувањето на алуминиумскиот прав од индустриските работилници до операционите сали и лабораториите совршено го илустрира шармот на интердисциплинарното истражување. Научниците за материјали, лекарите и биолозите работат заедно за да внесат нов живот во традиционалниот материјал. Оваа интердисциплинарна соработка е токму она што го движи напредокот во модерната медицина.
Значи, следниот пат кога ќе видитеалуминиум оксид производ, размислете за ова: можеби не е само керамички сад или тркало за мелење; може тивко да го подобрува здравјето и животот на луѓето во некоја форма, во лабораторија или болница некаде. Медицинскиот напредок често се случува на овој начин: не преку драматични откритија, туку почесто преку материјали како алуминиум оксид, постепено наоѓајќи нови примени и тивко решавајќи практични проблеми. Она што треба да го направиме е да ја одржиме љубопитноста и отворениот ум и да откриеме извонредни можности во обичното.