Кость обладает определённой способностью к самостоятельному восстановлению. Обычные переломы постепенно срастаются при стабильной фиксации и достаточном кровоснабжении. Если дефект слишком велик либо присутствуют тяжёлая инфекция, недостаточное кровоснабжение или повреждение мягких тканей, кость может не справиться с восстановлением, что приводит к несращению или сегментарному дефекту.

Способность суставного хряща к самовосстановлению ещё ниже. В нём почти нет сосудов и сравнительно мало клеток. При полнослойном дефекте качественное естественное заживление затруднено. Даже сформировавшаяся восстановительная ткань часто уступает нормальному гиалиновому хрящу по структуре и механическим свойствам.

Аутологичная костная пластика — важный метод лечения костных дефектов. Кость обычно берут из подвздошной кости или её гребня и пересаживают в область дефекта. Аутотрансплантат обладает остеогенными, остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами, поэтому давно считается одним из основных стандартных подходов.

Забор аутотрансплантата создаёт дополнительную операционную область и может вызвать боль, рубцевание, инфекцию, деформацию и другие осложнения в донорской зоне. При больших дефектах доступного объёма собственной кости пациента также может не хватить.

К другим вариантам относятся аллотрансплантация, метод индуцированной мембраны Маскеле и дистракционный остеогенез или транспорт кости по Илизарову. У каждого метода есть свои показания и ограничения, включая иммунное отторжение, риск инфекции, повторные операции, длительное лечение и продолжительное использование аппарата внешней фиксации.

Микрофрактурирование — распространённый метод восстановления хряща. Хирург перфорирует субхондральную костную пластинку, чтобы кровь из костного мозга и мезенхимальные клетки попали в дефект и сформировали восстановительную ткань.

Операция сравнительно проста, но образующаяся ткань обычно представляет собой волокнистый хрящ. Он менее устойчив к износу и уступает нормальному суставному гиалиновому хрящу по механическим свойствам, поэтому со временем может дегенерировать или повреждаться повторно.

При аутологичной остеохондральной трансплантации костно-хрящевые цилиндры переносят из ненагружаемой зоны в дефект, однако это может повредить донорский участок и обычно не подходит для крупных дефектов. Остеохондральный аллотрансплантат позволяет лечить более обширные повреждения, но сохраняются вопросы инфекции, хранения и доступности ткани.

Тканеинженерные методы, включая матрикс-индуцированную имплантацию аутологичных хондроцитов, применяют у отдельных пациентов. Обычно требуется забор хряща, выращивание клеток вне организма и повторная операция для их имплантации, что усложняет и удорожает лечение.

Чёрный фосфор — слоистый материал, состоящий из фосфора. Если из него получают листы толщиной всего в несколько атомных слоёв, их называют нанолистами чёрного фосфора.

По сравнению с белым и красным фосфором чёрный фосфор обладает благоприятными механическими, электрическими, фототермическими свойствами, способен переносить лекарства и демонстрирует перспективную биосовместимость. Поэтому в последние годы его активно изучают в электронике, доставке лекарств, лечении рака и тканевой инженерии.

В среде с водой и кислородом чёрный фосфор постепенно разлагается с образованием фосфата и других фосфорсодержащих веществ. По данным некоторых исследований, эти продукты могут участвовать в местной минерализации и создавать благоприятную среду для регенерации кости.

Способность к распаду ещё не доказывает полной безопасности в организме человека. На биологический эффект могут влиять скорость разложения, доза, размер частиц, модификация поверхности и длительная метаболическая судьба материала.

Стимуляция местной минерализации. Основные неорганические компоненты кости тесно связаны с обменом кальция и фосфора. Фосфат и другие продукты распада чёрного фосфора могут участвовать в местной минерализации и способствовать формированию костеподобной ткани.

Чёрный фосфор не превращается непосредственно в кость. Регенерация кости — сложный процесс, требующий остеобластов, стволовых клеток, кровеносных сосудов, внеклеточного матрикса, факторов роста и стабильной механической среды. Фосфорсодержащие продукты распада являются лишь одним из возможных факторов.

Улучшение среды для остеогенных клеток. В ряде клеточных исследований гидрогели, нановолокнистые каркасы и композитные материалы с чёрным фосфором улучшали прикрепление, размножение и остеогенную дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток костного мозга, а также повышали экспрессию щелочной фосфатазы, BMP-2 и других маркеров.

Эти результаты указывают, что чёрный фосфор может поддерживать образование кости благодаря улучшению свойств поверхности, высвобождению фосфата и изменению локальной клеточной среды.

Стимуляция ангиогенеза. Достаточное кровоснабжение необходимо для регенерации кости. Новые сосуды доставляют в область дефекта кислород, питательные вещества, остеогенные клетки и факторы роста.

В экспериментах на животных некоторые композитные гидрогели и биомиметические надкостничные каркасы с чёрным фосфором способствовали миграции эндотелиальных клеток, образованию сосудов и регенерации кости.

Слоистая структура и большая удельная площадь поверхности позволяют чёрному фосфору переносить активные вещества, включая BMP-2, ибупрофен и ионы стронция.

Его можно сочетать с гидрогелями, микросферами, электроформованными каркасами и другими материалами для постепенного высвобождения лекарства внутри дефекта. В некоторых экспериментальных системах ближний инфракрасный свет создаёт тепловой эффект и позволяет дополнительно регулировать скорость высвобождения.

Такое сочетание материала и препарата может повысить локальную концентрацию лечения и сократить распространение лекарства по другим участкам организма.

При повреждении хряща и прогрессировании остеоартроза локально накапливаются активные формы кислорода и азота. Эти окислительные молекулы повреждают хондроциты, белки и ДНК и ускоряют разрушение внеклеточного матрикса хряща.

Чёрный фосфор способен нейтрализовать активные формы кислорода и азота. Исследования in vitro показывают, что его нанолисты уменьшают окислительное повреждение хондроцитов, вызванное перекисью водорода, оксидом азота и сходными веществами.

В экспериментах на коленных суставах крыс дисперсию нанолистов чёрного фосфора вводили в полость сустава. Исследователи наблюдали снижение уровня активных форм кислорода, подавление воспаления и усиление синтеза коллагена II типа и гликозаминогликанов.

Эти результаты показывают, что чёрный фосфор может уменьшать окислительный стресс, защищать хондроциты и улучшать среду восстановления хряща.

Инфекция ортопедического имплантата — серьёзное осложнение эндопротезирования суставов, установки пластин, винтов и каркасов для восстановления кости.

Чёрный фосфор обладает фототермическим и сонодинамическим откликом. В некоторых экспериментальных системах ближнее инфракрасное излучение создаёт локальное тепло, а ультразвук может вызывать образование активных форм кислорода, повреждающих клеточные мембраны и антиоксидантные системы бактерий.

Исследователи сочетали чёрный фосфор с полидофамином и другими материалами, создавая покрытия титановых имплантатов для одновременного улучшения биосовместимости, антибактериальной активности и остеоинтеграции.

Такие покрытия пока не применяются для стандартной профилактики инфекции. Чрезмерный фототермический нагрев может повредить здоровые ткани, а дозы ультразвука и света требуют точного контроля. Долгосрочную безопасность и реальную антибактериальную эффективность необходимо подтвердить в исследованиях на людях.