Στους ηλικιωμένους, πολλοί παράγοντες συμβάλλουν στη μείωση των δυνατοτήτων αναγέννησης των οστών, συμπεριλαμβανομένης της μείωσης των ικανοτήτων αυτο-ανανέωσης και διαφοροποίησης των μεσεγχυματικών βλαστοκυττάρων, υπερβολική συσσώρευση φλεγμονωδών σημάτων, μειωμένη ικανότητα αναγέννησης αιμοφόρων αγγείων, ανισορροπία μεταξύ οστικού αναβολισμού και καταβολισμό και ανεπαρκή οστική νεύρωση.
Ενώ τα βιοϋλικά έχουν ενισχύσει τα θεραπευτικά αποτελέσματα για την αναγέννηση των οστών, η αποτελεσματικότητά τους μειώνεται σημαντικά στο πλαίσιο της αναγέννησης των οστών σε ηλικία. Κατά συνέπεια, είναι επιτακτική ανάγκη να επινοηθούν νέες στρατηγικές σχεδιασμού βιοϋλικών που στοχεύουν ειδικά στην αναζωογόνηση των γηρασμένων οστών.
Στη σφαίρα της επιδιόρθωσης των ηλικιωμένων οστών, η υλικοβιολογία δίνει έμφαση στη σχολαστική ρύθμιση και αποκατάσταση των βιολογικών λειτουργιών σε διάφορα επίπεδα – κυτταρικό, ιστό, όργανο και οργανισμό – μέσω της χρήσης λειτουργοποιημένων βιοϋλικών.
Αυτή η προσέγγιση αξιοποιεί μια συστηματική συγχώνευση «στοιχείων» από την «εργαλειοθήκη» του βιοϋλικού, η οποία περιλαμβάνει βιοχημικούς παράγοντες (όπως αυξητικούς παράγοντες, πολυπεπτίδια, χημικά και βιολογικά φάρμακα και γονίδια) και προσαρμοσμένα βιοφυσικά αποτελέσματα (συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσης, των μηχανικών ιδιοτήτων, δύο τοπογραφία διαστάσεων, τρισδιάστατη γεωμετρία, καθώς και προηγμένες τεχνολογίες παράδοσης και κατασκευής).
Οι ερευνητές συζητούν διεξοδικά τα τρέχοντα χαρακτηριστικά της γερασμένης οστικής αναγέννησης, τα τυπικά στοιχεία μέσα στην εργαλειοθήκη του βιοϋλικού και τις συνεχιζόμενες διαδικασίες για το σχεδιασμό του υλικού. Για να βελτιωθεί ο σχεδιασμός των βιοϋλικών για τη διόρθωση διαταραγμένων βιολογικών λειτουργιών στα γηρασμένα οστά, έχει δημιουργηθεί μια εργαλειοθήκη που περιλαμβάνει διάφορα βασικά στοιχεία. Η έρευνα δημοσιεύεται στο περιοδικό National Science Review.
Με γνώμονα αυτή τη στρατηγική σχεδιασμού υλικού, οι τυπικές διαδικασίες σχεδιασμού υλικού μπορούν να συνοψιστούν ως εξής: προσδιορισμός κρίσιμων διαταραγμένων βιολογικών λειτουργιών ως θεραπευτικοί στόχοι για την αποκατάσταση των οστών στους ηλικιωμένους. με βάση τα χαρακτηριστικά των επιλεγμένων βιολογικών λειτουργιών, συνδυάζοντας:
- συνεργιστικά στοιχεία από την εργαλειοθήκη βιοϋλικών με υποστήριξη τεχνητής νοημοσύνης (AI)
- βελτιστοποίηση των στοιχείων των αρθρωτών βιοϋλικών για την αναγέννηση των γηρασμένων οστών μέσω επαναληπτικών βελτιώσεων της σύνθεσης και της δομής χρησιμοποιώντας in vitro τεχνολογίες κατασκευής και αξιολόγησης υψηλής απόδοσης
- διεξαγωγή in vivo επικύρωσης των βελτιστοποιημένων βιοϋλικών σε μικρά ζώα και πρωτεύοντα πλην του ανθρώπου για τη διευκόλυνση της κλινικής μετάφρασης.
Side view young woman sitting at table working using computer take break touching massaging lower back feels discomfort after long sedentary studying, poor posture, incorrect stooped position concept
Η περαιτέρω βελτίωση αυτής της στρατηγικής σχεδιασμού υλικού επικεντρώνεται στην αποκάλυψη νέων πτυχών βιολογικών λειτουργιών που εμποδίζουν την αναγέννηση των γηρασμένων οστών και στην ανάπτυξη νέων στοιχείων που στοχεύουν συγκεκριμένες βιολογικές λειτουργίες. Η δημιουργία μιας εξειδικευμένης βάσης δεδομένων για την αντιστοίχιση συγκεκριμένων βιολογικών λειτουργιών με αρθρωτά «στοιχεία» βιοϋλικών μέσω της τεχνητής νοημοσύνης αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη οδό για την επιτάχυνση της αναγέννησης των γηρασμένων οστών.
Ως εκκολαπτόμενος διεπιστημονικός τομέας, η υλικοβιολογία απαιτεί τη συμμετοχή ερευνητών από διαφορετικούς τομείς για να διευρύνει συνεχώς το εύρος και το βάθος της. Αυτό περιλαμβάνει την αποσαφήνιση των εγγενών συνδέσεων μεταξύ των θεμελιωδών φυσικοχημικών ιδιοτήτων των υλικών και των βιολογικών τους λειτουργιών και τη δημιουργία αξιόπιστων προγνωστικών μοντέλων για την προώθηση μιας γνήσιας σύγκλισης των υλικών με τη βιολογία, επιταχύνοντας έτσι τη διαδικασία ανάπτυξης των βιοϋλικών.