Bioaktywny kompozyt PCL i szkła wspomaga leczenie złamanych kości

Złamana kość, która się nie goi, stanowi ogromne obciążenie dla pacjentów, co często prowadzi również do konieczności dalszych, dodatkowych operacji. Naukowcy z Instytutu Fraunhofer w Niemczech opracowali materiał kompozytowy stosowany w leczeniu takich przypadków braku zrostu kości. Powstały implant (zwany scaffoldem) ma znacząco poprawić skuteczność leczenia i przyspieszyć proces gojenia złamań. Materiał składa się z połączenia biodegradowalnego polimeru i bioaktywnego szkła i może służyć jako konstrukcja główna i nośna. Jego celem jest zahamowanie rozwoju bakterii w miejscu rany i wspomaganie wzrostu nowych struktur kostnych.

Instytut Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Zaawansowanych Materiałów IFAM w Bremie zapewnił skuteczne rozwiązanie w ramach wspólnego projektu badawczego SCABAEGO (Scaffold Bioactive Glass-Enhanced Osteogenesis). Celem projektu było sprawdzenie roboczej hipotezy, że wykorzystanie materiałów bioaktywnych w operacjach wspomaga proces gojenia i zmniejsza ryzyko infekcji. Partnerami Instytutu w tym projekcie są Klinika Chirurgii Urazowej i Rekonstrukcyjnej Szpitala Uniwersyteckiego w Heidelbergu oraz firma BellaSeno z siedzibą w Lipsku specjalizująca się w inżynierii medycznej.

Naukowcy z Fraunhofer IFAM opracowali materiał kompozytowy składający się z biodegradowalnego polimeru polikaprolaktonu (PCL) i bioaktywnego szkła. Kompozyt ten jest następnie używany w druku 3D dostosowanych do indywidualnych potrzeb struktur głównych i podtrzymujących miejsca złamań kości. Wcześniej za pomocą tomografii komputerowej (CT) mapuje się strukturę uszkodzonej kości, a specjalnie dopasowana konstrukcja zastępuje jej brakującą część. Wydrukowany scaffold wypełnia się szpikiem kostnym pobranym z grzebienia biodrowego lub z większych kości długich. Gwarantuje to, że biologiczny materiał zastępujący kość (autologiczny krążek kostny, ABG) jest stabilnie osadzony, a miejsce złamania bezpiecznie się goi.

Innowacyjny produkt medyczny zapewnia jeszcze więcej korzyści. „Bioaktywne szkło w rusztowaniu podnosi pH otoczenia do zasadowego. Następną rzeczą, którą chcemy zbadać, jest oczekiwane zahamowanie wzrostu bakterii” – wyjaśnia dr Kai Borcherding, kierownik jednostki biznesowej Technologii Medycznej i Nauk Przyrodniczych w Fraunhofer IFAM. Naukowcy spodziewają się, że w efekcie znacznie zmniejszy to ryzyko infekcji pooperacyjnej.

Bioaktywne szkło wspomaga także wzrost nowej kości w miejscu złamania. Szkło w kontakcie z płynami ustrojowymi zamienia się w hydroksyapatyt, czyli związek chemiczny powstający przede wszystkim z fosforanu wapnia i substancji bardzo podobnej do kości. „Dzięki szkłu bioaktywnemu możemy stawić czoła problemom, przed którymi stoją kliniki — możemy zahamować rozwój bakterii i zapewnić skuteczne wsparcie gojenia kości. Po sześciu do siedmiu latach wydrukowane rusztowanie ulegnie całkowitej biodegradacji i przekształci się w kość” – mówi lekarz medycyny Tobias Großner, chirurg urazowy i kierownik eksperymentalnej chirurgii urazowej w szpitalu uniwersyteckim w Heidelbergu.

Szkło bioaktywne jest już stosowane w leczeniu ubytków kości. Nowością jest połączenie go z PCL na skalę przemysłową. Naukowcom z Fraunhofer udało się związać szkło i PCL, tworząc materiał kompozytowy, który można wykorzystać bezpośrednio w procesie wytwarzania przyrostowego. Głównym rezultatem tego jest możliwość produkcji dostosowanych do indywidualnych potrzeb rusztowań wydrukowanych na drukarkach 3D. Wytwarzanie materiału kompozytowego na skalę przemysłową jest proste i szybkie. „Polimer PCL miesza się z granulatem szklanym i rozpuszczalnikiem przed poddaniem go wielu etapom przetwarzania. Na koniec rozpuszczalnik jest usuwany poprzez suszenie, a pozostałości kompozytu są drobno mielone” – wyjaśnia Borcherding.

Partner projektu BellaSeno „drukuje” rusztowanie z tego materiału za pomocą drukarki 3D. „Korzystamy z druku 3D, dzięki czemu możemy stworzyć każde rusztowanie indywidualnie, aby dopasować je do miejsca złamania u każdego pacjenta” – mówi dr Mohit Chhaya, dyrektor zarządzający BellaSeno i koordynator projektu. Wcześniej wykonuje się tomografię komputerową uszkodzonej kości. Następnie można wytworzyć wirtualny obraz 3D kości. Korzystając z tych danych, drukarka 3D buduje rusztowanie idealnie dopasowane do kości. „Każdy pacjent otrzymuje unikalne, szyte na miarę rusztowanie. Pozwala to uniknąć czasochłonnego mechanicznego dopasowywania implantu na sali operacyjnej” – mówi Großner.

Wykraczając poza dotychczasowe procedury, innowacyjny materiał kompozytowy powinien przyczynić się do znacznego postępu w leczeniu. Współczesna technika polega na pokryciu miejsca złamania cementem kostnym podczas wstępnej operacji. Organizm ludzki postrzega ten cement jako substancję obcą i chroni się okostną (błoną kostną). Jest to znane jako technika membran indukowanych Masqueleta. Proces może potrwać do dwóch miesięcy – po tym okresie pacjent musi ponownie przejść operację. Tym razem chirurg rozcina okostną, usuwa cement, wypełnia przestrzeń autologiczną kością i ponownie uszczelnia okostną. Do tej pory istniało niewiele możliwości bezpiecznego gojenia złamań bez zakłóceń.

Zespół badawczy projektu SCABAEGO bada już tę koncepcję in vitro i in vivo za pomocą testów przedklinicznych, współpracując ze Szpitalem Uniwersyteckim w Heidelbergu. Podczas gdy te prace są w toku, receptura kompozytu jest optymalizowana. Udział szkła bioaktywnego w rusztowaniu może wynosić od 10 do 30 procent. „Eksperymentujemy z proporcjami mieszanin, abyśmy mogli w jak największym stopniu wykorzystać biologicznie pozytywne właściwości szkła, zachowując jednocześnie wytrzymałość rdzenia rusztowania” – mówi Borcherding.

Źródło: www.fraunhofer.de