Sztuczne kości: naukowcy z 3-D drukowanego

Naukowcy mają interesującą wiadomość o postępach w ludzkich "częściach zamiennych". "

Wkrótce może być możliwe zastąpienie uszkodzonych ludzkich kości syntetycznymi, niestandardowymi kośćmi stworzonymi na drukarce 3D.

ReklamaReklama Ta "hiperelastyczna" kość zostanie wyprodukowana za pomocą "tuszu" wykonanego z naturalnego wapnia znajdującego się w ludzkiej kości.

W znacznym postępie w porównaniu z obecnymi metodami, naukowcy twierdzą, że wydrukowane na zamówienie kości mogą szybko wywołać regenerację kości i wzrost.

To może sprawić, że procedury medyczne staną się bardziej skuteczne, mniej bolesne i trwalsze.

Reklama Zastosowania mogą obejmować naprawę ran czaszkowych, stomatologicznych, kręgosłupa i innych kości oraz urazów medycyny sportowej.

Naukowcy z Northwestern University opublikowali swoje odkrycia w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Science Translational Medicine.

ReklamaReklama Czytaj więcej: Dentyści wkrótce wydrukują zęby antybakteryjne 3-D »

Pomoc dla dzieci

Ramille Shah, kierownik zespołu badawczego, jest adiunktem w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii w McCormick School of Engineering Northwestern oraz asystentem chirurga w Northwestern's Feinberg School of Medicine.

Shah opisuje hiperelastyczną kość jako "wysoce wszechstronny, wolny od czynników wzrostu, osteo-generujący, skalowalny i chirurgicznie przyjazny biomateriał. "

Naukowcy stworzyli hiperelastyczną kość do przeprowadzenia fuzji kręgosłupa u szczura i naprawy uszkodzenia czaszki u małpki rezus. Próby na zwierzętach będą kontynuowane.

Shah i jej zespół wierzą, że ludzkie próby ich syntetycznej kości mogą rozpocząć się w ciągu pięciu lat.

ReklamaReklama Shah, która kieruje Shah Tissue Engineering i Additive Manufacturing Lab w Northwestern, powiedziała w wywiadzie dla Healthline, że celem jej zespołu naukowców i klinicystów było "opracowanie biomateriału do druku trójwymiarowego dla tkanki kostnej regeneracja u dzieci. "

Pacjenci pediatryczni cierpiący na ubytki kości od urazu lub porodu mogliby znacznie skorzystać z tej technologii.

"Obecni chirurdzy używają defektów czaszkowo-twarzowych to metalowe płytki i śruby oraz polimery, ale nie degradowalne, do twarzy", powiedział Shah. "Podstawowym sposobem jest teraz pobranie kawałków kości z żeber lub bioder pacjenta i wykonanie" automatycznego przeszczepu "- kształtowanie elementów w celu dopasowania ich do przestrzeni defektów, które chcą zmienić. Ale ta metoda może powodować problemy w innych częściach ciała. Auto-przeszczepy są stosowane zwłaszcza u dzieci, ponieważ nie chcesz używać "ciał obcych" u dzieci. "

Ogłoszenie

Operacja implantacji kości jest bolesna i skomplikowana dla dzieci, powiedziała. Pobieranie kości w celu auto-przeszczepu może prowadzić do innych komplikacji i bólu.Czasami stosuje się implanty metalowe, ale nie jest to trwała poprawka dla rosnących dzieci.

"Dorośli mają więcej opcji, jeśli chodzi o implanty" - powiedział Shah. "Pacjenci pediatryczni tego nie robią. Jeśli dasz im stały implant, będziesz musiał wykonać więcej operacji w przyszłości, gdy będą rosnąć. Mogą napotkać lata trudności. "

ReklamaReklama Przeczytaj więcej: leki 3-D: Twoja apteka wydrukuje teraz Twoją receptę»

Właściwe składniki

Naturalny składnik kości ma kluczowe znaczenie dla sukcesu.

Głównym składnikiem biomateriału Shaha jest hydroksyapatyt, fosforan wapnia, który jest głównym elementem strukturalnym (90 procent wagowych) naturalnej kości kręgowca.

Ogłoszenie

Shah i jej koledzy mieszają 90% hydroksyapatytu z 10-procentowym biokompatybilnym, biodegradowalnym polimerem medycznym w rozpuszczalniku, który sprawia, że ​​tekstura bardziej przypomina płyn niż ciało stałe.

"Konsystencja jest jak klej Elmera," powiedział Shah.

ReklamaReklama Mieszanina nazywa się "tuszem", ponieważ jest używana w drukarce 3D.

Po wytłoczeniu mieszaniny główny rozpuszczalnik natychmiast odparowuje i zestala materiał. Struktura materiału jest porowata i może być używana w temperaturze pokojowej.

"Wysoka porowatość jest krytyczna, ponieważ komórki i naczynia krwionośne muszą infiltrować szkielet strukturalny, aby zwiększyć integrację tkanki" - wyjaśnił Shah.

Ponadto wysokie stężenie hydroksyapatytu tworzy środowisko, które powoduje szybką regenerację kości.

"[Hyperelastyczna kość] ma na celu degradację i przebudowę w naturalną kość, a zatem może rosnąć wraz z pacjentem" - powiedział Shah. "Eliminuje to potrzebę przyszłych operacji, tak jak ma to miejsce w przypadku metalowych płytek lub implantów. "

Dowiedz się więcej: Naukowcy odkrywają sposób drukowania tkanek ludzkich»

Wszechstronny produkt

Hiperplastyczna kość jest wszechstronna i może być drukowana z różnymi mocami.

Obejmuje to kości wysoce sprężyste, które mogą wytrzymać znaczne obciążenia, a także te, które są bardziej puste lub gęste. Te właściwości mechaniczne są określone przez architekturę drukowanego obiektu 3D, powiedział Shah.

Kość syntetyczną można dostosować do indywidualnych potrzeb każdego pacjenta.

Różnorodność zastosowań obejmuje naprawy złamań kręgosłupa, urazy sportowe, obrażenia ACL i rotatorów, które wymagają leczenia tkanek miękkich w kościach - powiedział Shah.

W zastosowaniach czaszkowo-twarzowych i stomatologicznych oraz w przypadku deformacji twarzy zamienną kość można drukować "w sposób idealnie dopasowujący się do symetrii i anatomii pacjenta, szczególnie w przypadkach, w których występuje estetyczny składnik istotny dla wyników pacjenta" - powiedziała.

"Materiał jest bardzo elastyczny, a chirurdzy mogą nim manipulować," powiedział Shah. "Dostępne obecnie materiały są bardzo elastyczne i nie trudno je ciąć i kształtować. Kiedy chirurdzy usłyszeli o tym, byli bardzo podekscytowani. "

Dowiedz się więcej: Życie ze sztuczną maszyną trzustkową»

Ważne w chirurgii głowy, twarzy

Właściwości kości hiper-plastycznej są szczególnie ważne w naprawie kości w głowie i twarzy.

"W wadach twarzoczaszki możemy stworzyć obiekt, który naprawia lub zasłania wadę, pozwalając nam zachować symetrię twarzy" - powiedział Shah. "Możemy wydrukować coś, co jest specyficzne dla pacjenta. Materiał przejdzie przez rusztowanie. Jest to ważne, ponieważ jeśli nie masz naczyń krwionośnych w obrębie defektu, możesz mieć martwicę tkanki [śmierć tkanki]. W rusztowaniu komórki odkładają nowy materiał kostny. W przypadku implantów stałych należy je wymieniać z czasem. Ten nowy materiał rośnie wraz z pacjentem i jest nieinwazyjny. "

Antybiotyki można dodać w celu kontrolowania infekcji.

Naukowcy wykonują trójwymiarowy proces drukowania w temperaturze pokojowej, co pozwala im dodawać do atramentu inne elementy, takie jak antybiotyki.

"Możemy włączyć antybiotyki, aby zmniejszyć możliwość infekcji po operacji," powiedział Shah. "W razie potrzeby możemy również połączyć atrament z różnymi czynnikami wzrostu, aby jeszcze bardziej poprawić regenerację. To naprawdę materiał wielofunkcyjny. "

Przeczytaj więcej: Czy możliwe są przeszczepy głowy … i etyczne? »

Spersonalizowane zamienniki

Chirurdzy używający syntetycznego materiału kostnego Shah byliby w stanie skanować ciało pacjenta i tworzyć spersonalizowane kości zastępcze na drukarce 3D.

Elastyczne właściwości mechaniczne biomateriału umożliwiają lekarzom łatwe cięcie i kształtowanie ich w trakcie zabiegu chirurgicznego. Nie tylko jest to szybsze, powiedział Shah, ale także mniej bolesne w porównaniu z użyciem materiału auto-graftu.

Kiedy rozpoczęła badania w 2009 roku, Shah otrzymywała środki na rozpoczęcie działalności oddziału i otrzymywała stałe wsparcie od National Institutes of Health (NIH).

Ma nadzieję uzyskać finansowanie rządowe i korporacyjne, a ostatnio założyła w Northwestern przedsiębiorstwo typu start-up, aby zbadać aplikacje do swojej pracy.

Shah oczekuje na dzień, w którym "czas realizacji implantu wyspecjalizowanego dla klienta może być w ciągu 24 godzin. To może zmienić świat chirurgii czaszkowo-twarzowej i ortopedycznej i, mam nadzieję, poprawi wyniki pacjenta. "