Dibuat biomaterial untuk pencetakan 3D tulang manusia sementara

Beberapa tulang belakang manusia sementara dicetak pada printer 3D. Foto: Adam E. Jakus

Upaya untuk membuat bahan untuk pencetakan 3D tulang manusia sementara (osteaterialegeneratif biomaterial) telah dilakukan berulang kali. Sayangnya, mereka masih menderita sejumlah kekurangan. Di antara mereka - ketidakmampuan untuk secara cepat dan akurat mereproduksi tulang baru, biaya tinggi dan kemampuan produksi yang terbatas, kompleksitas pemrosesan selama operasi bedah.

Biomaterial barutanpa semua kekurangan ini. Jika semua tes berhasil, maka dalam beberapa tahun orang akan bisa mendapatkan tulang buatan yang kuat, superelastik dan murah yang akan terurai dalam tubuh selama beberapa tahun (mereka secara bertahap digantikan oleh jaringan tulang alami). Hal yang paling menarik adalah bahwa proses ekstrusi bahan pada suhu kamar, secara teoritis, memungkinkan pencetakan tulang bahkan pada printer rumah.

Menurut para ilmuwan, materi baru HB (dari "tulang" hiperelastik) terdiri dari 90% berat hidroksiapatit dan 10% polikaprolakton .

Hydroxylapatite Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ adalah komponen mineral utama tulang manusia alami. Di sebagian besar tulang, itu membentuk sekitar 50% dari total massa, dan dalam enamel gigi - 96%. Dalam kedokteran, analog sintetik telah lama digunakan dalam bidang traumatologi, ortopedi, dan bedah tulang sebagai pengisi yang menggantikan bagian tulang yang hilang. Dalam kedokteran gigi, itu juga digunakan dalam pasta gigi, sebagai elemen remineralisasi yang memperkuat enamel gigi.

Tapi polycaprolactone (PCL) tidak ada dalam bahan biologis. Ini adalah polyester biodegradable yang digunakan dalam industri untuk produksi poliuretan. Tas biodegradable dibuat darinya. Dalam kedokteran, PCL juga digunakan sebagai bahan jahitan dan sebagai implan termal self-absorbing dari aksi berkepanjangan (filler), yang memiliki kemampuan untuk merangsang pertumbuhan jaringan fibrosa dan mengisi kembali volume karena komponennya sendiri. Banyak tablet yang dirilis dalam bentuk kapsul dari PCL, mereka diserap dalam tubuh. Selain itu, PCL digunakan dalam pencetakan 3D massal sebagai bahan untuk pembuatan prototipe. PCL kental mirip dengan resin alami seperti gutta-percha .

Eksperimen telah menunjukkan bahwa tulang tiruan dari komposisi ini dapat dengan cepat dicetak pada suhu kamar dengan kecepatan hingga 275 cm ³ / jam dengan ekstrusi, yaitu dengan memaksa lelehkan bahan yang kental atau pasta tebal melalui lubang pembentuk. Untuk membuat campuran kental, yang dimasukkan ke dalam printer, pelarut khusus digunakan.

Mencetak implan menggunakan metode ekstrusi suhu ruang tradisional adalah keuntungan besar karena implan tulang lainnya dibuat pada suhu tinggi menggunakan laser, jelas Ramille Shah, penulis utama makalah dan pemimpin tim di Northwestern University (AS) . Para peneliti sendiri selama percobaan menggunakan printer yang tersedia secara komersial.Sistem 3D-Bioplotter diproduksi oleh EnvisionTec. Perangkat ini dapat dibeli dengan harga mulai dari $ 250.000 hingga $ 300.000.

Tentu saja di rumah, printer semacam itu akan menjadi pembelian yang terlalu mahal. Tetapi setiap rumah sakit atau pusat bedah dapat membelinya. Pada prinsipnya, bahkan individu pribadi dapat membeli seember printer dan mencetak tulang baru untuk diri mereka sendiri atau hewan peliharaan jika perlu (tentu saja, disarankan untuk berkonsultasi dengan ahli bedah profesional untuk operasi).


EnvisionTEC 3D-Bioplotter

Tulang tiruan menunjukkan sifat mekanik yang baik: saring menjadi gagal (saring hingga gagal) dari 32% hingga 67%, modulus elastisitas dari 4 hingga 11 MPa. Dengan demikian, itu adalah bahan yang elastis dan tahan lama. Hal ini juga ditandai dengan daya serap tinggi (porositas 50%), mendukung viabilitas dan proliferasi sel hidup. Tes telah menunjukkan bahwa bahan tersebut tidak mengganggu pembentukan sel-sel sumsum tulang dari sel-sel batang mesenchymal.

Sejauh ini, biokompatibilitas HB telah diuji hanya pada hewan laboratorium, tetapi percobaan ini sangat menjanjikan. Implan subkutan pada tikus tidak menyebabkan penolakan dalam 7-35 hari. Pada tikus, cangkok tulang dipasang di bagian posterolateral tulang belakang (fusi tulang belakang posterolateral) selama 8 minggu, pembentukan jaringan tulang baru dicatat. Juga dilakukan percobaan pada primata dengan kerusakan pada tengkorak (4 minggu).

Selama semua percobaan, HB tidak menyebabkan respon imun negatif. Pada saat yang sama, vaskularisasi normal (pembentukan pembuluh darah) dicatat, tulang buatan cepat diintegrasikan ke dalam jaringan di sekitarnya, dengan cepat menjadi mengeras dan mendukung pertumbuhan jaringan tulang baru tanpa intervensi tambahan. Diasumsikan bahwa, ketika biodegradasi material terjadi, tempatnya akan ditempati oleh jaringan tulang alami dengan pembuluh darah.

Penting untuk dicatat bahwa, untuk semua kekuatan dan elastisitasnya, bahan baru tidak rapuh dan tidak rapuh, seperti banyak implan lainnya. Artinya, dokter bedah dapat memotong sepotong tulang buatan tanpa pembentukan fragmen - ini adalah masalah umum dengan implan lainnya.

Para peneliti berharap mereka mendapatkan izin untuk memulai uji coba manusia dalam waktu lima tahun. Saat ini tidak ada bahan cetak 3D yang disetujui oleh pihak berwenang di Amerika Serikat sebagai bahan tulang regeneratif. HB mungkin yang pertama.

Karya ilmiah diterbitkan pada 28 September 2016 dalam jurnal Science Translational Medicine (doi: 10.1126 / scitranslmed.aaf7704).

Source: https://habr.com/ru/post/id398027/