Süße Knochen 3D: hyperelastisches Knochenmaterial für Schädeldefekte aus Kunststoff

Wir haben ungefähr 205 von ihnen, insgesamt wiegen sie ungefähr 5-6 kg und alle 10 Jahre werden sie auf zellulärer Ebene vollständig aktualisiert. Und es gibt einen idiomatischen Ausdruck, der besagt, dass jeder es im Schrank hat. Hier geht es natürlich um das Skelett und um die Knochen, aus denen es besteht. Knochenverletzungen sind eine der häufigsten Verletzungen der Welt. Manchmal erfordern solche Verletzungen keine Knochenbehandlung, sondern deren Ersatz. Eine Knochentransplantation ist mit einer Reihe von Gefahren für den Patienten verbunden, einschließlich nachfolgender Schmerzen, Infektionen, Blutungen, Schäden an konjugierten Geweben usw.

Einige Wissenschaftler glauben, dass der Schlüssel zu einer erfolgreichen Knochentransplantation in der Verwendung gedruckter Knochen liegt, die für einen bestimmten Patienten ideal und frei von Defekten sind. Wie haben Wissenschaftler die Knochen gedruckt, was wurde dafür angewendet und welche Ergebnisse zeigte die Implantationsoperation an einer Ratte? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Die Methoden zur Behandlung von Knochenverletzungen haben sich seit der Antike kaum verändert. Die Wissenschaftler analysierten sogar 36 Neandertaler-Skelette, die Anzeichen von Brüchen zeigten. Von diesen können nur 11 Behandlungen dieser Verletzungen als erfolglos bezeichnet werden.

Ein solcher Behandlungserfolg gilt jedoch nicht immer für alle Arten von Frakturen. Einige Verletzungen wurden erfolgreich und ohne Konsequenzen behandelt, selbst mit ausreichenden modernen medizinischen Geräten, Kenntnissen und Techniken.

Derzeit werden in der Knochentransplantation häufig Allotransplantate oder alloplastische Materialien verwendet.

Allotransplantation * - eine Organtransplantation von Person zu Person (von einem Individuum einer Art eines Individuums derselben Art).

Diese Methoden sind ziemlich fortgeschritten, aber nicht allmächtig. Kraniomaxillofaziale Defekte (angeborener, onkologischer oder traumatischer Ursprung) sind recht komplex. In solchen Fällen werden Implantate benötigt, die für einen bestimmten Patienten spezifisch sind. Sie können daher nicht vom Spender genommen werden, sondern müssen hergestellt werden. In solchen Fällen wird eine Kranioplastik angewendet, aber das Implantat wird nicht regeneriert und wächst nicht mit anderen Knochen des Patienten zusammen. Es werden auch knochenschwammige, demineralisierte Knochenmatrix, synthetische Knochenspäne oder Knochenspachtel verwendet, die den Bereich des Defekts ausfüllen. Diese Materialien sind jedoch nicht porös und weisen eine begrenzte gebundene Porosität auf. Aus diesem Grund werden die Oberflächenzellmigration und die Vaskularisierung (Vaskularisierung) von Zellen verringert, was eher zur Einkapselung * als zur Gewebeintegration führen kann. Infolgedessen ist das Infektionsrisiko stark erhöht.

Verkapselung * - die Bildung einer Kapsel um einen Fremdkörper im Körper.

Forscher schlagen die Verwendung des dreidimensionalen Drucks vor, da Sie mit dieser Methode ein kostengünstiges Implantat herstellen können, das ideal zu einem bestimmten Defekt eines bestimmten Patienten passt.

Die Forscher stellen außerdem fest, dass es im biomedizinischen dreidimensionalen Druck bisher an Hochleistungsmaterialien mangelt, die eine einfache Herstellung, Verwendung im Druck und biologische Funktionalität kombinieren. Und das bedeutet, dass Sie natürlich Ihr eigenes Material erstellen müssen.


Hyperelastischer Knochen

Und der Name dieses neuen Materials ist "hyperelastischer Knochen" (hyperelastisches Knochenmaterial). Dieses osteoregenerative Material wird durch Extrusion von Hydroxylapatit (fest, 90% der Gesamtmasse) und Polymilchsäureglykolsäure (flüssig, 10% der Gesamtmasse) bei Raumtemperatur zu dreidimensionalen Formen hergestellt, ohne dass Sintern * , Aushärten * oder * erforderlich sind andere Formen der physikalischen und chemischen Stabilisierung.

Beim Sintern * werden feste und poröse Materialien auf feiner Pulverbasis bei erhöhten Temperaturen und / oder hohem Druck hergestellt.

Das Aushärten * ist ein irreversibler Prozess zur Umwandlung flüssiger reaktiver Oligomere und (oder) Monomere in feste, nicht schmelzende und unlösliche vernetzte Polymere.

Der resultierende dreidimensionale gedruckte Rahmen weist eine gute Elastizität und eine hohe Absorption auf. Darüber hinaus induziert das Gerüst die osteogene Differenzierung * von Knochenmark, das aus menschlichen mesenchymalen Stammzellen stammt, ohne Zugabe von osteoinduktiven Katalysatoren.

Zelldifferenzierung * - der Prozess der Bildung eines speziellen Phänotyps einer Zelle, der ihre Funktionen zeigt. Übertrieben die Beschäftigung von Zellen, die zuvor nicht den genauen Beruf hatten.

Gleichzeitig verursachte der hyperelastische Knochen keine negative Immunantwort, wurde vaskularisiert und in das umgebende Gewebe integriert, was das Wachstum des neuen Knochens unterstützte. Eine weitere Errungenschaft ist die Fähigkeit, transduzierte menschliche Fettstammzellen durch ein gedrucktes Implantat zu übertragen.

Als nächstes werden wir uns die Ergebnisse des praktischen Tests genauer ansehen. Die Wissenschaftler führten eine vergleichende Analyse der osteoregenerativen Fähigkeit von hyperelastischem Knochen und einer kommerziellen Variante (autologer Knochen) mit kritischen Größendefekten bei Ratten durch. Aber zuerst ein wenig über die Vorbereitung des Experiments und wie das Testmaterial und das Implantat hergestellt wurden.

Herstellung von hyperelastischem Knochen

Wie wir bereits wissen, bestand das hyperelastische Knochengerüst aus Hydroxylapatit und Polymilchsäureglykolsäure.


BioPlotter-Drucker

Alle Proben wurden mit dem BioPlotter Manufacturing-Drucker von EnvisionTEC gedruckt. Die Dicke der Platten (5 × 5 cm), bestehend aus 5 Schichten von jeweils 120 & mgr; m, betrug insgesamt 0,6 mm. Als nächstes wurden runde (8 mm Durchmesser) Rohlinge unter Verwendung eines Biopsiestyletts aus den Blättern herausgedrückt. Die resultierenden Blindproben wurden gewaschen und sterilisiert.


Bild 1: Herstellungsprozess des Implantats.

Implantationsoperation

Labor-Sprague-Dawley-Ratten, Männchen mit einem Gewicht von jeweils etwa 500 Gramm, wurden als Versuchspersonen verwendet.

Während der Operation standen die Probanden unter Vollnarkose (2% Isofluran / 100% Sauerstoff). Ein sagittaler Einschnitt (1,5 cm) wurde zwischen dem Lambdoid und den koronalen Nähten gemacht, um den Schädel freizulegen. Unter Verwendung einer Handbohrmaschine mit einem Trepan (einer Nadel mit einer Mühle oder einer Bohrmaschine zur Bildung von Löchern in dichten Geweben) wurde ein künstlicher Schädeldefekt von 8 mm Durchmesser erzeugt.

Die Probanden wurden in 4 Gruppen eingeteilt:

• 7 Personen - negative Kontrollgruppe (ohne Implantat auf dem Defekt);
• 6 Personen - positive Kontrollgruppe (mit autologem Knochen als Implantat);
• 6 Personen - Studiengruppe Nr. 1 (mit einem Gerüst aus Poly (milchglykolsäure) als Implantat);
• 10 Personen - Studiengruppe Nr. 2 (mit hyperelastischem Knochen als Implantat).

Nach der Implantation (mit oder ohne) wurden das Periost und die Haut unter Verwendung einer beweglichen resorbierbaren Naht geschlossen und den Versuchspersonen Schmerzmittel verabreicht. Die Probanden wurden in zwei Zellen gehalten. Der Zugang zu Wasser und Nahrungsmitteln war unbegrenzt.

Schädelproben wurden durch Kegelstrahl-Computertomographie analysiert. Bereiche von Interesse wurden aus den Schädelknochen herausgeschnitten, in 70% Ethanol gegeben und unter Verwendung eines Mikrocomputertomographen gescannt. Anschließend untersuchten die Wissenschaftler mithilfe einer Software zur Analyse der medizinischen Bildgebung (Mimics Medical 19.0) die Bereiche des Schädels, in denen die Implantate implantiert wurden, genauer.

Nach der Mikrocomputertomographie wurden die Proben zur histologischen Analyse in zwei Hälften geschnitten und unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie sichtbar gemacht. Es wurde auch eine Bewertung des Regenerationsgrades nach 8 und 12 Wochen vorgenommen.

Und jetzt gehen wir direkt zu den Ergebnissen der Beobachtungen über.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 3a: grau - mit autologem Knochen; schwarz - ohne Implantat; blau - mit einem Implantat aus Poly (milchglykolsäure); rot - mit hyperelastischem Knochen.

Das Bild oben ( 3a ) zeigt dreidimensionale Rekonstruktionen des Kegelstrahls und der Mikrocomputertomographie. Die Menge an regeneriertem Knochengewebe wurde durch die Menge an mineralisiertem Knochen als Bruchteil des gesamten interessierenden Gewebevolumens bestimmt. Das Knochenvolumen pro Fraktion des Gesamtvolumens für hyperelastischen Knochen, Poly (milchglykolsäure) und für die negative Kontrollgruppe wurde relativ zum Knochenvolumen pro Fraktion des Gesamtvolumens für die positive Kontrollgruppe (mit autologem Knochen) normalisiert. Daher wurde eine vergleichende Analyse der Leistungsindikatoren aller Implantatoptionen durchgeführt.


Bild # 3b

Die Kegelstrahl- und Mikrocomputertomographie zeigte einen Anstieg der Menge an mineralisierter Knochenmatrix bei Defekten, die mit hyperelastischen Knochenimplantaten behandelt wurden ( 3b ).

Gemäß der Kegelstrahl-Tomographie betrug das Volumen des mineralisierten Knochens bei Verwendung eines hyperelastischen Knochenimplantats nach 8 Wochen 55,7% und nach 12 Wochen Beobachtung 57,0%. Laut Mikrocomputertomographie 36,1% in Woche 8 und 37,1% in Woche 12 der Beobachtungen. Dies sind Daten vor der Normalisierung.

Danach wurde eine Normalisierung der Indikatoren für das Volumen des mineralisierten Knochens bei autologen Transplantationen durchgeführt. Nun wurde klar, dass das Regenerationsvolumen unter Verwendung von hyperelastischem Knochen 95,6% und 82,0% (8. und 12. Beobachtungswoche) des Volumens der positiven Kontrollgruppe (mit autologem Knochen) betrug. Die Mikrocomputertomographie ergab die folgenden Ergebnisse: 74,2% und 64,5% (8. und 12. Beobachtungswoche).

Die Verwendung von ausschließlich Poly (milchglykolsäure) als Implantationsmaterial erwies sich als recht unwirksam: 16,6% und 22,5% (8. und 12. Beobachtungswoche) der positiven Kontrollgruppe. Die Ineffizienz dieser Methode wird auch durch die Tatsache bestätigt, dass sich ihre Ergebnisse nicht signifikant von den Ergebnissen der Negativkontrollgruppe unterscheiden, die überhaupt keine Implantate hatte: 10,3% und 13,8% bei der Kegelstrahlentomographie und 14,5% und 19,5% bei der Mikrocomputertomographie.

Ein Vergleich der Ergebnisse des getesteten neuen Materials (hyperelastischer Knochen) mit den Ergebnissen der negativen Kontrollgruppe zeigte einen Unterschied im Volumen des mineralisierten Knochens um das 7,81-fache nach 8 Wochen und um das 5,75-fache nach 12 Wochen zugunsten des hyperelastischen Knochens.

In Bezug auf das Regenerationsvolumen ist die Verwendung von hyperelastischem Knochen praktisch vergleichbar mit der Verwendung von kommerziellen Implantatvarianten mit autologem Knochen.


Bild Nr. 4: Pfeile - defekte Kante; Ft - faseriges (faseriges) Gewebe; Mc ist eine Membranzellkomponente; Nb ist der neue Knochen.

Die durchgeführte histologische Analyse bestätigte nur die Daten der Kegelstrahl- und Mikrocomputertomographie. Die Wissenschaftler identifizierten die Ränder der Defekte, und die Bildung eines neuen Knochens wurde zur besseren Visualisierung speziell mit Eosin gefärbt.

Im Fall der negativen Kontrollgruppe wurde fibröses Gewebe beobachtet, aber die Bildung eines neuen Knochens war minimal (obere Reihe in Bild Nr. 4). Proben mit Polymilchsäureglykolsäure konnten sich auch nicht eines großen Volumens an neu gebildetem Knochen rühmen (dritte Reihe).

Die Proben, bei denen hyperelastischer Knochen angewendet wurde, zeigten im Gegenteil die Bildung von mineralisiertem Knochengewebe an der Oberfläche der Defektkanten (4. Reihe). In der 8. Beobachtungswoche erscheinen an den Stellen der Defekte faseriges Gewebe und Membranzellkomponenten im Implantat, und in der 12. Woche beginnt die Bildung eines neuen Knochens um die Elemente des Implantatrahmens.


Bild Nr. 5

Und schließlich zeigte die Analyse von REM-Bildern (Rasterelektronenmikroskop) von Proben mit hyperelastischem Knochen nach 12-wöchiger Beobachtung die Bildung eines engen zellulären Kontakts von Geweben mit dem Material innerhalb des Implantats.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Nachwort

In dieser Arbeit haben Wissenschaftler eine neue Art osteogener Biomaterialien demonstriert, mit denen Implantate zur Behandlung von Knochendefekten hergestellt werden können. Wissenschaftler nennen die wichtigsten Merkmale ihrer Idee: einfache Implantation, einfache Herstellung, hohe Effizienz, niedrige Produktionskosten und Anpassung des Implantats für einen bestimmten Patienten.

Der hyperelastische Knochen ist wirklich sehr flexibel und kann sowohl während des Herstellungsprozesses als auch zum Zeitpunkt der Implantation die erforderliche Form annehmen, was diesen Prozess erheblich erleichtert. Keramik- und Polymerkeramikimplantate können sich dessen nicht rühmen.

Aber auch das ist nicht der wichtigste Vorteil. Ein hohes Maß an Knochenregeneration und Implantatüberleben ist viel wichtiger. 4 Wochen nach der Implantation beginnt ein aktiver Prozess der Knochenmineralisierung.

Wissenschaftler stellen auch fest, dass diese Geschwindigkeit und Effizienz bei ausreichend großen Defekten äußerst wichtig sind (wie in praktischen Experimenten gezeigt wurde).

Der Einsatz solcher Technologien kann das Leben von Ärzten und Patienten erheblich vereinfachen. Die Individualität der Behandlung, die Geschwindigkeit der Produktion, die Implantation und eine schnelle Genesung ohne Nebenwirkungen - dies ist eine hervorragende Werbung für die neue Technologie. In Zukunft wollen die Wissenschaftler weitere Experimente durchführen, den Regenerationsprozess genauer untersuchen und ihre Erfindung verbessern.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass das Vorhandensein solcher Innovationen nicht bedeutet, dass Sie sich links und rechts die Knochen brechen können. Also hat niemand die Sicherheitsregeln aufgehoben.



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