Кісткові трансплантати, надруковані лазером, можуть змінити процес загоєння кісток

Команда інженерів з ETH Zurich представила ефективніший та практичніший спосіб створення кісткових трансплантатів. Їхній підхід використовує нові матеріали та лазерний друк для швидшого... відновлення з меншим ризиком. Ось що вам потрібно знати.

Чому переломи кісток зростають

Ви, ймовірно, принаймні знали когось, хто ламав кістку протягом свого життя. Хоча ці випадки можуть варіюватися від дитячих нещасних випадків до серйозних травм, усі вони потребують певної медичної допомоги, щоб забезпечити зцілення кістки. зцілює правильно

На жаль, кількість людей, які перенесли переломи кісток, постійно зростає у всьому світі. Це зростання відображає старіючу демографічну групу покоління бебі-бумерів. Звіти з Міжнародний фонд остеопорозу (IOF) показують, що лише минулого року серед людей похилого віку було зареєстровано понад 37 мільйонів крихких переломів, і прогнозується, що ця тенденція продовжиться разом зі старінням населення.

Як кістки природним чином загоюються

Людський організм неймовірний і може самостійно загоювати переломи та незначні пошкодження. У рамках цієї здатності він спочатку розгортає різноманітні клітини м’яких тканин у пошкодженій ділянці. Ці тимчасові клітини діють як каркаси, дозволяючи новому кістковому росту формуватися та зрештою затвердіти.

Частково цей успіх зумовлений унікальним поєднанням мікроскопічних проходів і просторів, що знаходяться по всій кістці. Вражаюче, що звіти показують, що крихітний фрагмент кістки розміром менше чверті може мати понад 54 кілометри мікроскопічних тунелів, що проходять крізь нього.

Коли переломи кісток потребують хірургічного втручання

Бувають випадки, коли перелом настільки серйозний, що людський організм не в змозі загоїти рану без додаткової допомоги медичних працівників. Зокрема, важкі складні переломи потребують фіксації за допомогою металевих штифтів та імплантатів.

Також видалення будь-яких пухлин може призвести до втрати частини кістки. Лікарі повинні заповнити цей відсутній сегмент кістки, щоб правильно вправити кістку. У деяких випадках трансплантат виготовляється з кістки пацієнта.

Аутотрансплантати

Аутотрансплантати – це найпопулярніший спосіб, за допомогою якого медичні працівники вирішують цю ситуацію. Аутотрансплантати бувають різних форм, найпопулярнішими з яких є кістка пацієнта, кераміка або метал.

Проблеми з аутотрансплантатами

Аутотрансплантати можуть покращити процес загоєння, але вони не позбавлені своїх проблем. По-перше, процес вимагає додаткової операції для закріплення кісткової тканини, яка буде використана для створення трансплантата. Цей крок додає витрат і ризиків до сценарію, а також затримки в часі та потребу в додаткових фахівцях.

Прорив ETH Zurich у створенні кісткового трансплантата, надрукованого за допомогою лазера

Наукова стаття «Водорозчинний макротіол ПВА дозволяє двофотонну мікрофабрикацію клітинно-інтеракціональних гідрогелевих структур зі швидкістю 400 мм/с¹ опублікована в журналі «Advanced Materials» робота висвітлює абсолютно новий підхід, який має потенціал для революціонізування охорони здоров’я в майбутньому.

2PP Мікрофабрикація

Щоб виконати своє завдання зі створення кращих та стабільніших трансплантатів, команда звернулася до методу, відомого як Двофотонна полімеризація (2PP)Спочатку розроблений як метод прямого лазерного запису, що використовується в тканинній інженерії та розробці ліків, він спирається на фемтосекундні лазерні імпульси.

Ці крихітні високоінтенсивні лазери використовуються для зміцнення спеціальних світлочутливих матеріалів. Перевага цього підходу полягає в тому, що він дозволяє інженерам розробляти високороздільні 3D-архітектури з роздільною здатністю (суб)мікронного масштабу. Саме ця остання можливість привернула увагу професора інженерії біоматеріалів у ETH Zurich Сяо-Хуа Ціня та його команди.

Потрібен був новий гідрогель

Імітація позаклітинний матрикс (ECM) людини – непросте завдання, оскільки воно вимагає неперевершеного рівня складності, якого бракувало традиційним 2PP-стратегіям. Вони зазначили, що використання двофотонного лазера дозволяє зосередити фотохімічну реакцію точно на одній ділянці, забезпечуючи набагато більше контролю порівняно з однолазерними підходами в минулому.

Однак гель був недостатньо жорстким, щоб приймати форму, або достатньо реактивним, щоб залишатися на місці. Щоб вирішити ці проблеми, команда зосередилася на створенні нового гідрогелю.

Примітно, що сучасний спосіб виготовлення 2PP використовує гідрогель, що містить (мет)акрилатовані білки. Зазвичай використовуються комерційні водорозчинні тіольні зшивачі, такі як дитіотреїтол. Ці білки не мають сильних механізмів зшивання, необхідних для підтримки росту кісток.

Джерело - ETH Zurich

Цей матеріал не може витримувати рівень складності, необхідний для людської кістки, і коли вони спробували використати цей матеріал, то виявили велику кількість структурних дефектів. Традиційно варіантом було б додавання більшої концентрації полімеру, але команда вирішила не робити цього.

ПВА тіоловий зшиваючий агент (ПВАШ)

Інженери вирішили, що для досягнення своїх цілей найкраще розробити абсолютно новий гідрогель. Водорозчинний гідрогель на основі полівінілового спирту на основі макромолекулярного тіолового зшиваючого агента (PVASH) використовує спеціалізовані молекули, щоб залишатися стабільним та неінвазивним.

Зокрема, команда змішала PVASH з PVA (nPVA) з функціоналізованим норборненом як першу частину процедури. Наступним кроком було додавання фотоініціаторів, щоб забезпечити правильну роботу лазерного процесу.

Головна зміна в цьому підході полягає в тому, що він вводить кілька реакційних груп. Ця стратегія дозволяє гелю швидше та ретельніше тверднути, коли на нього потрапляє лазерне випромінювання. Це також дозволило розробникам використовувати одну молекулу для зв'язування полімерного ланцюга, а іншу - для забезпечення світлової реакції.

Лазерний друк

Використання лазерного друку є важливою перевагою, яка дозволяє інженерам створювати природні кісткові структури з деталями шириною всього 500 нанометрів. Зокрема, команда інтегрувала для цього завдання лазер потужністю 20 мВт.

Ця мікроскопічна здатність гарантує, що кісткові структури мають природні порожнини та шляхи. Крім того, ці конструкції можна попередньо запрограмувати та доставляти з вражаючою швидкістю 400 міліметрів за секунду. Ця швидкість є новим світовим рекордом, а також демонструє важливість цього досягнення з точки зору пришвидшення одужання пацієнтів.

Мікро-риштування

Схоже, що матеріал здатний відтворювати складність людської кістки до такої міри, що клітини без затримки розпочнуть традиційний процес загоєння. Примітно, що кілометри мікроскопічних тунелів і проходів забезпечують ідеальну адгезію для залучення та підтримки росту здорових клітин.

Лабораторні випробування кісткових каркасів, надрукованих лазером

Вчені провели кілька лабораторних тестів, щоб перевірити, чи їхня теорія витримає реальні умови. Примітно, що інженери були раді побачити, що дослідження в пробірках показали швидкий ріст клітин.

Зокрема, гідрогель був надрукований на спеціально створеній формі, і протягом кількох днів організм почав виробляти колаген, що є одним з найважливіших етапів росту кісток. Інженери також використали цей час, щоб зафіксувати, як полімер розпадається в організмі, зазначивши, що це абсолютно нешкідливо.

Потім вони витратили деякий час на оцінку свого гідрогелю та тіол-енових зшивальних молекул. Вони зазначили, що їхня ефективність перевершила очікування, забезпечивши міцне та природне відновлення пошкодженої тканини за коротший час, ніж інші методи.

Результати тестування кісткових трансплантатів, надрукованих за допомогою лазерного друку

Результати випробувань підкреслюють важливість цієї роботи для сектору охорони здоров'я. Вчені змогли зафіксувати значне покращення в кожному аспекті процесу. Від формування трансплантата до переміщення клітин і, нарешті, біорозкладання каркасу, робота дослідників виявилася точною, створивши загоєні кісткові клітини, які точно такі ж, як ті, що створюються природним шляхом.

Переваги кісткових трансплантатів, надрукованих за допомогою лазерного друку

Цей новий гідрогель має багато переваг. По-перше, він пропонує більшу гнучкість з точки зору структури та розміщення. Традиційні гідрогелі не мають жодної пластичності. Додавання додаткових сполучних молекул створює набагато більшу стабільність, що дозволяє безпосередньо формувати відповідно до особистих потреб людини.

Проведіть пальцем для прокручування →

Вірність

Ще однією важливою перевагою, яку не можна ігнорувати, є додаткова точність, яку забезпечує цей підхід. Нові гідрогелі на основі PVASH надають інженерам більше можливостей з точки зору дизайну та загальної складності структури на мікроскопічному рівні.

Краща реакція пацієнтів

Хоча вчені провели лише лабораторні випробування, вони зазначили, що процес загоєння за допомогою нової стратегії показав значно менший набряк. Зменшення набряку пояснюється біосумісністю гідрогелю, який легше сприймається клітинами вашого організму порівняно з металевими або керамічними варіантами.

Реальні програми та хронологія:

Реальне застосування цього відкриття може поширитися на різні галузі. По-перше, його очевидне використання — у сфері охорони здоров'я, де воно може допомогти зменшити витрати та час відновлення після переломів кісток у пацієнтів.

Протезування

Цю технологію згодом можна буде використовувати для створення більш реалістичних протезів, які виглядатимуть і відчуватимуться як справжні частини тіла, а не як замінники. Технологія може закласти основу та дозволити росту клітин зробити все інше за ідеального сценарію.

Робототехніка

Ринок робототехніки також може використовувати цю технологію для створення міцніших біомеханічних конструкцій. Ці пристрої можуть використовувати комбінацію живих клітин і структури разом з механічними пристроями для створення більш ефективних і потужних машин у майбутньому.

Хронологія

Може пройти щонайменше десять років, перш ніж ця технологія стане достатньо зрілою для використання людиною. Дослідження все ще перебуває на ранній стадії, і, незважаючи на значний успіх на даний момент, все ще існує багато наукових та регуляторних перешкод, які необхідно подолати, перш ніж ця технологія стане масовою.

Дослідники лазерно надрукованих кісткових трансплантатів

Дослідники з ETH Zurich очолювали Кісткові трансплантати, надруковані лазером дослідження. У статті зазначено, що провідними авторами є Сяо-Хуа Цінь та Ральф Мюллер. Вони отримали підтримку від Ванван Цю, Маргарити Бернеро, Муджа Емілі Є, Сянцзюнь Янга та Філіпа Фіша.

Future

Майбутнє кісткових трансплантатів, надрукованих за допомогою лазерного друку, ще належить визначити. Технологія має сенс і показала багатообіцяючі результати. Однак, ще багато випробувань потрібно провести, зокрема на людях.

Наступним кроком буде перехід до випробувань на тваринах. Вчені вже оголосили про стратегічне партнерство з Дослідницький інститут АО Давос щоб полегшити цей наступний етап розвитку. Залежно від результатів цього тесту, дослідження буде продовжено на людях.

Інвестування в інновації в галузі медичних технологій

Існує кілька компаній, які продовжують просувати інновації в секторі медичних технологій. Ці фірми продемонстрували готовність шукати нестандартні рішення цієї критичної проблеми. Ось одна компанія, яка залишається піонером на ринку, про яку варто знати.

Xtant Medical Holdings

Компанія Xtant Medical Holdings була заснована як Bacterin International у лабораторії Університету штату Монтана на початку 90-х років. Метою проекту було дослідження кращих медичних практик з акцентом на імплантати регенеративної медицини.

Компанія Xtant Medical Holdings провела ребрендинг у 2000 році, а у 2006 році випустила лінійку хірургічних імплантатів. Ці продукти привернули значну увагу, і у 2013 році компанія провела успішне IPO. Водночас, у 2016 році компанія почала купувати інші компанії, що займаються дослідженням регенеративних кісток, такі як X-spine.

У 2020 році Xtant зосередила свою увагу на реконструкції хребта. У рамках цієї стратегії компанія продовжувала здійснювати придбання та формувати стратегічні партнерства. Відтоді компанія знову розширила свою діяльність на інші напрямки регенеративної кісткової медицини.

Сьогодні Xtant визнана однією з провідних ортобіологічних компаній у світі. Фірма пропонує кілька продуктів, призначених для покращення результатів лікування пацієнтів, і продовжує інвестувати у створення більш ефективних варіантів. Тим, хто шукає авторитетну медико-технологічну фірму, варто детальніше дослідити пропозиції Xtant.

Останні новини та показники діяльності Xtant Medical Holdings (XTNT)

Висновок щодо кісткових трансплантатів, надрукованих за допомогою лазерного друку

Легко зрозуміти, чому існує сильне прагнення знайти краще рішення для пацієнтів, які страждають від складних травм кісток, таких як Спинний мозок травма. Населення старіє, і такі травми стануть більш поширеними в майбутньому. Таким чином, ця робота може закласти основу для швидших та надійніших стратегій загоєння.

Дізнайтеся про інші цікаві розробки в секторі медичних технологій тут.

Посилання

^{1. Цю, В., Бернеро, М., Є, М.Е., Ян, Х., Фіш, П., Мюллер, Р. та Цінь, Х.Х. Водорозчинний макротіол ПВА забезпечує двофотонну мікрофабрикацію клітинно-інтерактивних гідрогелевих структур зі швидкістю 400 мм/с. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}