biocompozite - osul

8/7/2019 Biocompozite - Osul

http://slidepdf.com/reader/full/biocompozite-osul 1/8

Biocompozite

OSUL - COMPOZIT NATURAL

Evoluţia derulată pe parcursul a sute de milioane de ani a condus la geneza unor ţesuturidure specializate de tip conjunctiv cunoscute sub numele de ţesuturi osoase, care sunt în esenţă biomateriale compozite naturale cu arhitectură variabilă, structură complexă, funcţii multiple şi proprietăţi remarcabile.

Compoziţie şi organizare structurală

Ţesutul osos este format din diferite tipuri de celule integrate într-o matrice proteicăfibroasă întărită prin mineralizare. Compoziţia este reprezentată de aproximativ 60% materieanorganică, 30% organică şi 10% apă , variind funcţie de un mare număr de factori, dintre care

mai importanţi sunt vârsta, sexul, starea fiziologică a organismului, tipul de os şi localizarea lanivelul acestuia. De asemenea, osul poate fi considerat ca fiind format din materie celulară (15%)şi matrice extracelulară (85%), din care 35% este organică şi 65% anorganică

Celulele osoase, reprezentate de osteoblaste, osteocite, celule de acoperire şi osteoclaste,sunt responsabile de procesele de sinteză, structurare, întreţinere, modelare şi reconstrucţie, întimp ce matricea extracelulară conferă proprietăţile caracteristice osului precum rezistenţa şiduritatea.Osteoblastele sunt celule mononucleate de formă cubică sau cilindrică ce comunică între ele (fig.1a) şi provin din celulele osteogene ale măduvei osoase (iniţial celule mezenchimaticeembrionare). Sunt poziţionate în partea exterioară a osului şi au funcţia de a sintetiza proteinelenecesare formării matricei organice şi de a controla mineralizarea. După exercitarea funcţiilor specifice, aceste celule pot migra spre suprafaţă, transformându-se în celule de acoperire care

împiedică solubilizarea cristalelor minerale de către substanţele din fluxul sanguin şi intervin în procesele de remodelare, pot suferi fenomenul de apoptoză (moarte celulară programată), sau potrămâne încastrate în matricea mineralizată pe care au sintetizat-o, diferenţiindu-se în osteocite.



Osteocitele implicate în întreţinerea şi remodelarea osului sunt celule puternic ramificate,interconectate atât între ele cât şi cu osteoblaste şi celule de acoperire (fig. 1a).Precursorii osteoclastelor derivă din celulele hematopoietice medulare şi prezintă caracteristicicomune monocitelor şi macrofagelor tisulare. Aceste celule mononucleate din fluxul sanguinaderă pe suprafaţa osului şi se transformă prin diferenţiere şi fuziune în celule mari,

multinucleate, care sunt osteoclastele mature (fig. 1b), cu rol în demineralizarea, remodelarea şireconstrucţia osoasă.

Matricea proteică secretată de osteoblaste (osteoidul) este preponderent alcătuită dincolagen de tip I (~ 90-95%) proteină insolubilă înalt repetitivă care conferă osului o rezistenţăsporită la rupere. Proteinele necolagenice au în principal un rol fiziologic, de reglare şi control al proceselor de mineralizare, activare, inhibare şi diferenţiere celulară (de exemplu fibronectinareglează diferenţierea osteoblastelor, osteonectina şi osteocalcina reglează mineralizarea,trombospondina inhibă precursorii celulari, osteopontina favorizează formarea de noi capilaresanguine) . Tot de natură proteică sunt de regulă şi moleculele de tipul factorilor de creştere şi acitokinelor, care sunt produse ca urmare a comunicării cu alte tipuri celulare şi au rol în controlul proliferării, diferenţierii şi morţii celulare prin apoptoză . Din această categorie fac parte proteinele morfogenetice osoase (BMP), factorii de creştere de tip insulinic (IGF), interleukinele1 şi 6, factorul necrotic (TNF).

Componenta minerală a matricei osoase care o face mai casantă, dar îi conferă şi o

rezistenţă sporită la compresie, este o formă a fosfatului de calciu cunoscută sub numele dehidroxiapatită, sare insolubilă cu formula stoiechiometrică



Ca10(PO4)6(OH)2 şi cristalizare hexagonală (9,42 / 9,42 / 6,88 Å) [11]. Această stoiechiometrie nueste însă respectată la hidroxiapatita naturală datorită substituţiilor cu ioni de magneziu, sodiu, potasiu, clor, fluor, carbonat şi bicarbonat.

Ţesuturile osoase prezintă mai multe nivele de organizare structurală: molecular, ultra,micro şi macrostructural . Edificiul osos este construit la nivel molecular din lanţuri polipeptidicecolagenice de tip α-helix împachetate într-un triplu helix (~1,5 nm în diametru şi 280 nm

lungime) şi nanocristale de apatită, lungi şi aplatizate (40-60 nm lungime, 10-20 nm lăţime şi 1-4nm grosime). Colagenul şi apatita asociată sunt asamblate în microfibrile compozite, majoritateaîmpachetate la rândul lor în fibre cu grosimea de 3-7 μm.

Funcţie de modul de organizare structurală a acestor fibre se disting două tipuri principalede ţesut osos: compact sau cortical şi respectiv spongios sau trabecular. Ţesutul compact seîntâlneşte în zona mediană (diafizară) a oaselor lungi şi pe suprafaţa exterioară a oaselor mici, iar cel spongios la extremităţile (epifizele) oaselor lungi şi în interiorul celorlalte oase (fig. 2,3).



În cazul ţesutului compact, fibrele alcătuiesc lamele concentrice care se dispun în jurulunui canal central numit canal Haversian (fig. 4). Structurile astfel formate poartă numele deosteoni sau sisteme Haversiene şi se împachetează în mănunchiuri cilindrice paralele,determinând o densitate foarte ridicată a osului.



Osteocitele rămase înglobate în matricea osoasă după biosinteza de novo a osteonilor necesită prezenţa unor spaţii interlamelare proprii (lacune) şi a unor mici canalicule translamelareradiante către canalul Haversian, care conţine capilarele sanguine şi terminaţiile nervoaseindispensabile viabilităţii osului (fig. 5). Canalele Haversiene sunt la rândul lor interconectate prin perforaţii numite canale Volkmannn (fig. 3). Osteonii îmbătrâniţi, cu structură parţial

compromisă, formează aşa-numitele lamele interstiţiale care, împreună cu osteonii şi liniile decimentare compuse din straturi subţiri de proteine bogate în carbohidraţi, completează arhitecturaţesutului osos compact.

Osul spongios este mai puţin dens datorită absenţei osteonilor. Fibrele compozite decolagen se grupează de această dată într-o varietate de plăci şi traverse neregulate circumscriseunor cavităţi variabile ca formă şi dimensiuni ce conţin măduvă roşie osoasă (fig. 2,3). Deşiaparent haotică, organizarea fibrelor urmăreşte liniile de stres mecanic şi se ajustează lamodificări de durată ale direcţiei tensiunii aplicate, astfel încât să confere rezistenţă maximă.

La nivel macrostructural, oasele prezintă o mare varietate de forme şi dimensiuni (lungi,scurte, plate, neregulate) şi un procent specific de ţesut compact şi spongios. La exterior oaselesunt acoperite de un strat osos numit periost care conţine celulele responsabile de sinteza şiresorbţia ţesutului, perforaţii aferente vaselor sanguine, limfatice şi terminaţiilor nervoase careintră în matricea osoasă, faţete de articulare cu alte oase, puncte de ataşare pentru tendoane şiligamente.Structura anizotropă îi permite osului să fie în acelaşi timp rezistent şi rigid, vâsco-elastic şicasant, funcţie de direcţia de aplicare a tensiunii . Astfel, osul compact are o rezistenţă lacompresie în direcţie longitudinală cuprinsă între 131 şi 224 MPa şi un modul Young de 17-20GPa, iar cel spongios o rezistenţă de 5-10 MPa şi un modul de 50-100 MPa, dependente dedensitate . De asemenea, compoziţia şi organizarea structurală specifică permite scheletuluiîndeplinirea unui mare număr de funcţii specifice, de care trebuie să se ţină cont în selecţiamaterialelor şi derularea proceselor de reconstrucţie osoasă: suport structural pentru inimă, plămâni şi măduvă osoasă, protecţie a organelor interne,



asigură mobilitatea organismului prin fixarea muşchilor, stochează substanţe minerale (99% dincalciul şi 85% din fosforul prezent în corp), captează metalele grele, contribuie la formareacelulelor roşii.

Remodelarea şi reconstrucţia osoasă

Osul este un ţesut viu, metabolic activ, aflat într-o continuă transformare pentru a se adaptanecesităţilor din diferite momente ale vieţii organismului din care face parte. Ţesutul preexistenteste înlocuit treptat de unul nou, cu o viteză ce scade odată cu vârsta, microfisurile sunt reparate,rezistenţa scheletului şi homeostazia minerală ajustate.

În copilărie şi adolescenţă predomină procesele de modelare care constau în formarea deţesut nou într-un situs şi resorbţia celui vechi de la nivelul altui situs al aceluiaşi os, permiţându-icreşterea în mărime şi deplasarea în spaţiu, în timp ce după adolescenţă predomină tot mai mult procesele de remodelare care constau în formarea şi înlocuirea aceleiaşi zone de ţesut, fărămodificarea formei osului (fig. 6)

Remodelarea are loc la nivelul suprafeţelor spongioase şi ale osteonilor prin acţiuneaconcertată a osteoblastelor şi osteoclastelor şi sub controlul factorilor reglatori locali şi sistemiciSecvenţa de remodelare decurge întotdeauna după acelaşi tipar. Într-o primă etapă sunt activateosteoclastele care iniţiază resorbţia unei anumite porţiuni osoase. Dupa o anumit timp (de regulă

2-3 săptămâni) osteoclastele îşi reduc activitatea şi mor prin apoptoză, iar suprafaţa afectată este pregătită pentru etapa formatoare, de exemplu prin producerea de linii de cimentare. Remodelarease încheie prin refacerea ţesutului osos sub acţiunea osteoblastelor, care este un proces mult mailent (3-4 luni) Săptămânal se reciclează astfel între 5 şi 7% din masa osoasă, cu înlocuireacompletă a conţinutului unui os spongios la fiecare 3-4 ani şi a unui os compact la fiecare10 ani.

Mecanismul de reglare al proceselor de sinteză şi resorbţie osoasă este deosebit decomplex şi încă incomplet elucidat. Osteoclastele conţin în membrana plasmatică structuriadezive dinamice cu ajutorul cărora se ataşează foarte puternic de os, creând un spaţiu



extracelular închis în care secretă un amestec coroziv de HCl şi proteaze asemănător suculuigastric, care dizolvă sărurile de calciu şi lizează componentele proteice (fig. 7).

Activitatea osteoclastelor este condiţionată de osteoblastele vecine care externalizează o proteină semnal (RANKL) al cărei receptor (RANK) este plasat pe membrana celulară aosteoclastelor. Interacţiunea acestora modifică forma osteoclastelor şi favorizează fixarea acesteia pe os. Osteoblastele pot induce formarea osteoclastelor prin secreţie de citokine de tipinterleukină-1 şi interleukină-6, prostaglandine, factori de creştere, dar pot sintetiza şi o proteinăsolubilă, osteoprogeterina (OPG), care inhibă activarea osteoclastelor prin blocarea proteineiRANKL .

La rândul lor, osteoclastele pot mări sensibilitatea osteoblastelor vecine la factorii decreştere, iar interleukina-6 poate determina modificări şi în modul de

Proliferare şi diferenţiere al osteoblastelor, inclusiv inhibarea apoptozei. Alţi factori localiimportanţi ce intervin în procesele de sinteză, modelare şi reconstrucţie osoasă sunt reprezentaţide factorii de creştere de tip insulinic (IGFs) generaţii de osteoblaste, care le autostimuleazădiviziunea şi diferenţierea celulară, şi de proteinele morfogenetice osoase (BMPs) produse demăduva osoasă, care determină diferenţierea celulelor stem mezenchimatice în osteoblaste matureşi nu în alte tipuri celulare, cum ar fi adipocitele Osteocitele din matricea osoasă şi celulelestromale de la suprafaţă sunt de asemenea implicate în remodelarea osoasă.



Menţinerea echilibrului dintre activitatea osteoclastică şi cea osteoblastică depinde de oserie de hormoni sistemici eliberaţi în cantitatea şi la momentul potrivit:- hormonii ce reglează concentraţia calciului liber în organism şi anume hormonul paratiroidiancare menţine nivelul calciului constant stimulând fie resorbţia, fie formarea osului, calcitriolulderivat din vitamina D ce favorizează absorbţia intestinală a calciului şi fosforului şi calcitoninacare inhibă resorbţia;

- hormonii sexuali, estrogenul şi testosteronul, care scad odată cu vârsta, determinând atâtreducerea masei osoase cât şi a vitezei de înlocuire a acesteia prin inhibarea într-o măsură maimare a activităţii osteoblastelor faţă de cea a osteoclastelor;- insulina, hormonul tiroidian şi cortizolul.

Ţesutul osos demonstrează o capacitate remarcabilă de regenerare şi reconstrucţie în cazultraumatismelor şi fracturilor. Procesul de vindecare este complex şi poate fi împărţit în trei etape:inflamare, reparare şi remodelare. Iniţial regiunea afectată este inundată de factori de creştere şimolecule mesager, atrăgând celule precum macrofagele pentru a digera ţesutul compromis. Acestrăspuns inflamatoriu imun este urmat de formarea unui calus celular de osteoblaste caredemarează sinteza de colagen. Se formează astfel o matrice osoasă cartilaginoasă pe care încep săse depună cristale de hidroxiapatită. În ultima şi cea mai lungă etapă se regenerează vasele desânge şi ţesutul osos intră în remodelare.

Capacitatea regenerativă intrinsecă a ţesutului osos face din acesta un candidat optim pentru aplicarea unei game largi de strategii artificiale de reconstrucţie şi inginerii tisulare.

Bibliografie:

1 1. Kelly E.B., New Frontiers in Bone Grafting, Orthopedic Technology Review, 2 (9), 28-

33, 20002 2. Crane G.M., Ishaug S.L., Mikos A.G., Bone tissue engineering, Nature Medicine, 1,1322-1324, 1995

3 3. Athanasiou K.A., Zhu C.F., Lanctot D.R., Agrawal C.M., Wang X., Fundamentals of biomechanics in tissue engineering of bone, Tissue Engineering, 6, 361-381, 2000

4 4. Martin T. J., Cell biology in bone, In: Clinical endocrinology and metabolism, MartinT.J., Nicholson G.C., Eds., Bailliéres, Mackays of Chautham PLC Press, New York, 1988

5 5. Lodish H., Molecular Cell Biology, Scientific American Books, New York, 19956 6. Kurihara N., Chenu C., Miller M., Civin C., Roodman G.D., Identification of committed

mononuclear precursors for osteoclast-like cells in long term human marrow cultures,

Endocrinology, 126, 2733-2741, 1990

7 7. Zamfirescu-Gheorghiu M., Popescu A., Tratat de biochimie medicală, vol.II, Ed.Medicală, 1991

biocompozite - osul

Documents