Drukowanie kości z…kości

Wady wrodzone, urazy oraz nowotwory sprawiają, że coraz więcej pacjentów musi mieć wszczepianą kość zastępczą w twarzy lub czaszce. Do przeszczepu przeważnie wykorzystuje się kość strzałkową ze stopy, co jest dodatkowym obciążeniem wymagającym rehabilitacji pacjenta. Dzięki  technologii druku 3D można to będzie zrobić mniej inwazyjnie.

Warren Grayson, profesor inżynierii biomedycznej na Johns Hopkins University School of Medicine opracował nowatorską metodę drukowania naturalnych implantów kostnych na bazie kompozytu składającego się ze sproszkowanych kości oraz biodegradowalnego tworzywa sztucznego. Mieszanka taka może pozwolić na wydrukowanie kości, która u pacjenta zastąpi tę wadliwą, stymulując jednocześnie jej szybką odbudowę. Szkielet implantu, wykonany z tworzywa, będzie stopniowo się rozkładał i zostanie wchłonięty przez organizm.

Istotą opracowanego kompozytu jest połączenie wytrzymałego i drukowalnego w 3D materiału z biologicznym „nośnikiem” informacji zawartym w naturalnych kościach. Jako materiał biodegradowalny wybrano polikaprolakton (PCL), materiał poliestrowy, który jest zatwierdzony przez FDA i może być wykorzystywany do zastosowań medycznych. Jego najważniejszymi cechami są duża wytrzymałość, niska temperatura topnienia oraz to, że idealnie rozkłada się i wchłania we wnętrzu organizmu. Nadaje się on też idealnie jako zamiennik kości, jednak samodzielnie nie jest w stanie pobudzić ich do regeneracji, poprzez ponowny wzrost masy kostnej. Dlatego, jako dodatek (katalizator) stosowany jest naturalny proszek kostny, uzyskany z wewnętrznej części krowiego kolana.

Jak twierdzi profesor Grayson, proszek kostny zawiera natywne białka strukturalne, które ułatwiają komórkom macierzystym przekształcanie się w komórki kostne. Dodatkowo, szorstkość PCL ułatwia przyczepność komórek.

Aby określić optymalne proporcje pomiędzy tymi dwoma składnikami, przeprowadzono szereg testów. Okazało się, że minimalna ilość proszku kostnego nie może być niższa niż 30% (pozostałe 70% stanowi PCL), podczas gdy maksymalna nie może być większa niż 70%. Większa ilość proszku kostnego powoduje, że szkielet z PCL nie jest wystarczająco wytrzymały aby zachował nadany mu kształtu i nie utrzymuje wymaganej struktury przestrzennej.

W przeciągu trzech tygodni komórki połączone ze szkieletem złożonym w 70% z proszku kostnego, wykazują setki razy wyższą aktywność genową niż w przypadku szkieletu wykonanego wyłącznie z PCL. Z Kolei w przypadku modelu złożonego ze szkieletu zawierającego 30% proszku kostnego, aktywność genowa jest dużo niższa, ale komórki nadal wykazują tendencję wzrostową. Kiedy natomiast do materiału komórkowego dodano beta-glicerofosforanu, to naturalnie odkładający się wapń powodował nadbudowywanie się szkieletu modelu. Względem „czystego” szkieletu zawierającego tylko PCL, implanty zawierające 30% proszku kostnego wykazywały 30% wzrost poziomu wapnia, natomiast te zawierające 70% wykazały dwa razy większy wzrost poziomu wapnia.

Naukowcy nadal szukają kompromisu pomiędzy proporcjami PCL i proszku kostnego. Większa zawartość proszku zwiększa tempo regeneracji, ale jest o wiele słabsza w swojej pierwotnej fazie. Kolejnym krokiem ma być praca nad wprowadzeniem substancji, które zwiększą tempo powstawania naczyń krwionośnych w takim kostnym rusztowaniu.

Źródło: www.3dprint.com