Erstellt Biomaterial für den 3D-Druck temporärer menschlicher Knochen

Mehrere temporäre menschliche Wirbel, die auf einem 3D-Drucker gedruckt wurden. Foto: Adam E. Jakus

Es wurden wiederholt Versuche unternommen, Materialien für den 3D-Druck temporärer menschlicher Knochen (osteoregenerative Biomaterialien) zu erstellen. Leider leiden sie immer noch unter einer Reihe von Mängeln. Dazu gehören die Unfähigkeit, einen neuen Knochen schnell und genau zu reproduzieren, die hohen Kosten und begrenzten Produktionskapazitäten sowie die Komplexität der Verarbeitung während eines chirurgischen Eingriffs.

Neues Biomaterialohne all diese Mängel. Wenn alle Tests erfolgreich sind, werden die Menschen in einigen Jahren in der Lage sein, starke, superelastische und billige künstliche Knochen zu erhalten, die sich über mehrere Jahre im Körper biologisch abbauen (sie werden allmählich durch natürliches Knochengewebe ersetzt). Das Interessanteste ist, dass der Prozess der Extrusion eines Materials bei Raumtemperatur theoretisch das Drucken von Knochen auch auf Heimdruckern ermöglicht.

Laut Wissenschaftlern besteht das neue Material HB (aus hyperelastischem „Knochen“) zu 90 Gew .-% aus Hydroxylapatit und zu 10 Gew .- % aus Polycaprolacton .

Hydroxylapatit Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ist der Hauptmineralbestandteil natürlicher menschlicher Knochen. In den meisten Knochen macht es etwa 50% der Gesamtmasse aus, im Zahnschmelz 96%. In der Medizin wird seit langem ein synthetisches Analogon in der Traumatologie, Orthopädie und Knochenchirurgie als Füllstoff verwendet, der Teile verlorenen Knochens ersetzt. In der Zahnmedizin wird es auch in Zahnpasten als remineralisierendes Element verwendet, das den Zahnschmelz stärkt.

Polycaprolacton (PCL) fehlt jedoch in biologischen Materialien. Es ist ein biologisch abbaubarer Polyester, der in der Industrie zur Herstellung von Polyurethanen verwendet wird. Daraus werden biologisch abbaubare Beutel hergestellt. In der Medizin wird PCL auch als Nahtmaterial und als selbstabsorbierendes thermisches Implantat mit längerer Wirkung (Füllstoff) verwendet, das das Wachstum von Fasergewebe stimulieren und das Volumen aufgrund seiner eigenen Komponenten wieder auffüllen kann. Viele Tabletten werden in Kapseln aus PCL freigesetzt, sie werden vom Körper aufgenommen. Darüber hinaus wird PCL im 3D-Massendruck als Material für das Prototyping verwendet. Viskoses PCL ähnelt in seiner Natur einem natürlichen Harz wie Guttapercha .

Experimente haben gezeigt, dass künstliche Knochen dieser Zusammensetzung schnell bei Raumtemperatur mit einer Geschwindigkeit von bis zu 275 cm ³ / h durch Extrusion gedruckt werden können, dh indem eine viskose Schmelze aus Material oder dicker Paste durch ein Formungsloch gedrückt wird. Um eine viskose Mischung zu erzeugen, die in den Drucker geladen wird, wird ein spezielles Lösungsmittel verwendet.

Das Drucken eines Implantats mit der traditionellen Extrusionsmethode bei Raumtemperatur ist ein großer Vorteil, da andere Knochenimplantate bei hohen Temperaturen mit Lasern hergestellt werden, erklärt Ramille Shah, Hauptautorin des Papiers und Teamleiterin an der Northwestern University (USA) . Die Forscher selbst verwendeten während der Experimente einen handelsüblichen Drucker.3D-Bioplotter-System von EnvisionTec. Dieses Gerät kann zu Preisen zwischen 250.000 und 300.000 US-Dollar gekauft werden.

Natürlich wäre ein solcher Drucker zu Hause ein zu teurer Kauf. Aber jedes Krankenhaus oder chirurgische Zentrum kann es sich leisten. Grundsätzlich können auch Privatpersonen einen Eimer mit solchen Druckern kaufen und bei Bedarf neue Knochen für sich selbst oder Haustiere drucken (natürlich ist es ratsam, einen professionellen Chirurgen für eine Operation zu konsultieren).


EnvisionTEC 3D-Bioplotter

Künstliche Knochen weisen gute mechanische Eigenschaften auf: Dehnung bis zum Versagen (Dehnung bis zum Versagen) von 32% bis 67%, Elastizitätsmodul von 4 bis 11 MPa. Somit ist es ein elastisches und haltbares Material. Es zeichnet sich auch durch eine hohe Saugfähigkeit (Porosität 50%) aus, unterstützt die Lebensfähigkeit und Proliferation lebender Zellen. Tests haben gezeigt, dass das Material die Bildung von Knochenmarkszellen aus mesenchymalen Stammzellen nicht beeinträchtigt.

Bisher wurde die HB-Biokompatibilität nur an Labortieren getestet, aber diese Experimente waren sehr vielversprechend. Subkutane Implantate bei Mäusen verursachten innerhalb von 7 bis 35 Tagen keine Abstoßung. Bei Ratten wurde 8 Wochen lang ein Knochentransplantat im posterolateralen Teil der Wirbelsäule installiert (posterolaterale Wirbelsäulenfusion), wobei die Bildung von neuem Knochengewebe aufgezeichnet wurde. Führte auch ein Experiment am Primaten mit Schädelschädigung durch (4 Wochen).

Während aller Experimente verursachte HB keine negative Immunantwort. Gleichzeitig wurde eine normale Vaskularisation (Gefäßbildung) festgestellt, der künstliche Knochen schnell in das umgebende Gewebe integriert, schnell verknöchert und das Wachstum von neuem Knochengewebe ohne zusätzliche Intervention unterstützt. Es wird angenommen, dass während des biologischen Abbaus des Materials sein Platz von lebendem natürlichem Knochengewebe mit Blutgefäßen eingenommen wird.

Es ist wichtig zu beachten, dass das neue Material trotz seiner Festigkeit und Elastizität nicht spröde und nicht spröde ist, wie viele andere Implantate. Das heißt, der Chirurg kann ein Stück künstlichen Knochens abschneiden, ohne dass sich Fragmente bilden - dies ist ein häufiges Problem bei anderen Implantaten.

Die Forscher hoffen, dass sie innerhalb von fünf Jahren die Erlaubnis erhalten, Versuche am Menschen zu beginnen. Derzeit gibt es keine 3D-Druckmaterialien, die von den Aufsichtsbehörden in den USA als regeneratives Knochenmaterial zugelassen sind. HB kann der erste sein.

Die wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht 28. September 2016 in der Zeitschrift Science Translational Medicine (doi: 10.1126 / scitranslmed.aaf7704).

Source: https://habr.com/ru/post/de398027/