Tulang imut 3D: bahan tulang hyperelastic untuk cacat tengkorak plastik

Kami memiliki sekitar 205 dari mereka, secara total beratnya sekitar 5-6 kg dan setiap 10 tahun mereka benar-benar diperbarui pada tingkat seluler. Dan ada ungkapan idiomatis yang menyatakan bahwa setiap orang memilikinya di lemari. Ini, tentu saja, tentang kerangka dan tulang-tulang yang membentuknya. Cidera tulang adalah salah satu cedera paling umum di dunia. Kadang-kadang cedera seperti itu tidak memerlukan perawatan tulang, tetapi penggantiannya. Transplantasi tulang dikaitkan dengan sejumlah bahaya bagi pasien, termasuk nyeri, infeksi, perdarahan, kerusakan pada jaringan terkonjugasi, dll.

Beberapa ilmuwan percaya bahwa kunci keberhasilan transplantasi tulang terletak pada penggunaan tulang yang dicetak, yang akan ideal untuk pasien tertentu dan akan bebas dari cacat. Bagaimana para ilmuwan mencetak tulang-tulang, apa yang diterapkan untuk ini, dan apa hasil yang ditunjukkan oleh operasi implantasi pada tikus? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Metode untuk mengobati cedera tulang tidak banyak berubah sejak zaman kuno. Para ilmuwan bahkan menganalisis 36 kerangka Neanderthal yang menunjukkan tanda-tanda patah tulang. Dari jumlah tersebut, hanya 11 perawatan dari cedera ini yang dapat disebut tidak berhasil.

Namun, keberhasilan perawatan seperti itu setiap saat tidak berlaku untuk semua jenis patah tulang. Beberapa cedera telah berhasil dan tanpa konsekuensi dirawat bahkan dengan peralatan medis modern, pengetahuan dan teknik.

Saat ini, allografts atau bahan alloplastic sering digunakan dalam transplantasi tulang.

Allotransplantation * - transplantasi organ dari orang ke orang (dari individu dari satu spesies individu dari spesies yang sama).

Metode-metode ini cukup maju, tetapi tidak mahakuasa. Cacat kraniomaksilofasial (bawaan, onkologis, atau asal traumatis) cukup kompleks. Dalam kasus seperti itu, implan diperlukan yang khusus untuk pasien tertentu. Oleh karena itu, mereka tidak dapat diambil dari donor, tetapi harus dibuat. Dalam kasus tersebut, cranioplasty digunakan, tetapi implan tidak akan memiliki regenerasi dan tidak akan tumbuh bersama dengan tulang pasien lainnya. Spon tulang, matriks tulang demineralisasi, keripik tulang sintetis atau dempul tulang, yang mengisi daerah cacat, juga digunakan. Tetapi bahan-bahan ini tidak berpori dan memiliki porositas terikat terbatas. Karena itu, migrasi sel permukaan dan vaskularisasi (vaskularisasi) sel berkurang, yang dapat menyebabkan enkapsulasi * daripada integrasi jaringan. Akibatnya, risiko infeksi sangat meningkat.

Enkapsulasi * - pembentukan kapsul di sekitar benda asing di dalam tubuh.

Peneliti menyarankan untuk menggunakan pencetakan tiga dimensi, karena metode ini memungkinkan Anda membuat implan murah yang idealnya sesuai dengan cacat spesifik pada pasien tertentu.

Para peneliti juga mencatat bahwa dalam pencetakan tiga dimensi biomedis sejauh ini ada kekurangan bahan yang sangat efisien yang akan menggabungkan kemudahan pembuatan, digunakan dalam pencetakan dan fungsionalitas biologis. Dan ini berarti bahwa Anda perlu membuat materi Anda sendiri, secara alami.


Tulang hiperelastik

Dan nama material baru ini adalah "tulang hyperelastic" (material tulang hyperelastic). Bahan osteoregeneratif ini dibuat dengan ekstrusi pada suhu kamar hidroksiapatit (padatan, 90% dari total massa) dan poli (asam glikolat laktat) (cairan, 10% dari total massa) ke dalam bentuk tiga dimensi tanpa perlu sintering * , curing * atau bentuk lain dari stabilisasi fisik dan kimia.

Sintering * adalah proses pembuatan bahan padat dan berpori dari dasar bubuk halus pada suhu tinggi dan / atau tekanan tinggi.

Curing * adalah proses yang tidak dapat diubah untuk mengubah oligomer reaktif cair dan (atau) monomer menjadi polimer ikatan silang padat, tidak meleleh dan tidak larut.

Bingkai cetak tiga dimensi yang dihasilkan memiliki elastisitas yang baik dan penyerapan yang tinggi. Selain itu, kerangka kerja menginduksi diferensiasi osteogenik dari sumsum tulang yang berasal dari sel punca mesenkim manusia tanpa penambahan katalis osteoinduktif.

Diferensiasi sel * - proses pembentukan fenotip khusus sel yang menampilkan fungsinya. Berlebihan, pengerjaan sel, yang sebelumnya tidak memiliki profesi yang pasti.

Pada saat yang sama, tulang hiperelastik tidak menyebabkan respon imun negatif, menjadi vaskularisasi dan terintegrasi dengan jaringan di sekitarnya, mendukung pertumbuhan tulang baru. Prestasi lain adalah kemampuan untuk mentransfer sel-sel induk lemak transduksi manusia melalui implan tercetak.

Selanjutnya, kita akan melihat lebih dekat hasil tes praktis. Para ilmuwan melakukan analisis komparatif kemampuan osteoregeneratif tulang hiperelastik dan varian komersial (tulang autologus) dengan cacat ukuran kritis pada tikus. Tetapi pertama-tama, sedikit tentang persiapan untuk percobaan dan bagaimana bahan uji dan implan dibuat.

Fabrikasi tulang hiperelastik

Seperti yang telah kita ketahui, kerangka tulang hiperelastik dibuat dari hidroksiapatit dan poli (asam glikolat laktat).


Printer BioPlotter

Semua sampel dicetak menggunakan printer BioPlotter Manufacturing dari EnvisionTEC. Ketebalan lembaran (5x5 cm), terdiri dari 5 lapisan masing-masing 120 μm, berjumlah total 0,6 mm. Selanjutnya, bulat (diameter 8 mm) kosong diperas dari lembaran menggunakan biopsi stylet. Kosong yang dihasilkan dicuci dan disterilkan.


Gambar # 1: proses pembuatan implan.

Operasi implantasi

Tikus tikus Sprague-Dawley di laboratorium, jantan dengan berat masing-masing sekitar 500 gram, digunakan sebagai subjek percobaan.

Selama operasi, subjek di bawah anestesi umum (2% isoflurane / 100% oksigen). Sayatan sagital (1,5 cm) dibuat antara sutura lambdoid dan koronal untuk mengekspos tengkorak. Menggunakan bor tangan dengan trephine (jarum dengan gilingan atau bor untuk membentuk lubang di jaringan padat), cacat tengkorak buatan berdiameter 8 mm telah dibuat.

Subjek dibagi menjadi 4 kelompok:

• 7 individu - kelompok kontrol negatif (tanpa implan pada cacat);
• 6 orang - kelompok kontrol positif (dengan tulang autologus sebagai implan);
• 6 orang - kelompok studi No. 1 (dengan kerangka kerja poli (asam susu-glikolat) sebagai implan);
• 10 orang - kelompok belajar No. 2 (dengan tulang hiperastik sebagai implan).

Setelah implantasi (dengan atau tanpa itu), periosteum dan kulit ditutup menggunakan jahitan yang dapat diserap bergerak, dan anestesi diberikan kepada subjek. Subjek disimpan dalam sel menjadi dua. Akses ke air dan makanan tidak terbatas.

Sampel tengkorak dianalisis dengan computed beam tomography. Area yang menarik dikeluarkan dari tulang tengkorak, ditempatkan di etanol 70% dan dipindai menggunakan tomograph mikro-komputer. Kemudian, dengan menggunakan perangkat lunak analisis pencitraan medis (Mimics Medical 19.0), para ilmuwan memeriksa lebih detail area tengkorak tempat implan ditanamkan.

Setelah tomografi mikro, sampel dipotong setengah untuk analisis histologis dan divisualisasikan menggunakan pemindaian mikroskop elektron. Penilaian juga dibuat dari tingkat regenerasi setelah 8 dan 12 minggu.

Dan sekarang kita melanjutkan langsung ke hasil pengamatan.

Hasil penelitian

Gambar No. 3a: abu-abu - dengan tulang autologous; hitam - tanpa implan; biru - dengan implan yang terbuat dari poli (asam susu-glikolat); merah - dengan tulang hiperelastik.

Gambar di atas ( 3a ) menunjukkan rekonstruksi tiga dimensi balok kerucut dan tomografi mikro. Jumlah jaringan tulang regenerasi ditentukan oleh jumlah tulang mineral sebagai sebagian kecil dari total volume jaringan yang diinginkan. Volume tulang per fraksi volume total untuk tulang hiperelastik, poli (asam laktat-glikolat) dan untuk kelompok kontrol negatif dinormalisasi relatif terhadap volume tulang per fraksi volume total untuk kelompok kontrol positif (dengan tulang autologous). Dengan demikian, analisis komparatif dari indikator kinerja semua opsi implan dilakukan.


Gambar # 3b

Sinar kerucut dan tomografi terkomputasi mikro menunjukkan peningkatan jumlah matriks tulang mineralisasi pada defek yang diobati dengan implan tulang hiperastik ( 3b ).

Menurut cone beam tomography, volume tulang mineral dalam kasus menggunakan implan tulang hiperelastik adalah 55,7% pada 8 minggu dan 57,0% pada 12 minggu pengamatan. Menurut micro-computed tomography, 36,1% pada minggu ke 8 dan 37,1% pada minggu ke 12 pengamatan. Ini adalah data sebelum normalisasi.

Setelah itu, normalisasi dilakukan dengan indikator volume tulang mineral dalam kasus transplantasi autologous. Sekarang menjadi jelas bahwa volume regenerasi menggunakan tulang hyperelastic adalah 95,6% dan 82,0% (8 dan 12 minggu pengamatan) dari volume kelompok kontrol positif (dengan tulang autologus). Dan tomografi mikro dikomputasi menghasilkan hasil berikut: 74,2% dan 64,5% (minggu ke 8 dan 12 pengamatan).

Penggunaan secara eksklusif poli (asam laktat-glikolat) sebagai bahan untuk implantasi ternyata sangat tidak efektif: 16,6% dan 22,5% (8 dan 12 minggu pengamatan) dari kelompok kontrol positif. Ketidakefisienan metode ini juga dikonfirmasi oleh fakta bahwa hasilnya tidak berbeda secara signifikan dari hasil kelompok kontrol negatif, yang tidak memiliki implan sama sekali: 10,3% dan 13,8% pada tomografi balok kerucut dan 14,5% dan 19,5% pada tomografi komputer mikro.

Perbandingan hasil dari bahan baru yang diuji (tulang hiperelastik) dengan hasil dari kelompok kontrol negatif menunjukkan perbedaan volume tulang mineral sebesar 7,81 kali pada 8 minggu dan 5,75 kali pada 12 minggu mendukung tulang hiperastik.

Dengan demikian, dalam hal volume regenerasi, penggunaan tulang hiperelastik praktis sebanding dengan penggunaan varian implan komersial dengan tulang autologous.


Gambar No. 4: panah - tepi yang rusak; Jaringan Ft - fibrosa (berserat); Mc adalah komponen sel membran; Nb adalah tulang baru.

Analisis histologis yang dilakukan hanya mengkonfirmasi data balok kerucut dan tomografi mikro. Para ilmuwan mengidentifikasi tepi cacat, dan pembentukan tulang baru diwarnai dengan eosin untuk visualisasi yang lebih baik.

Dalam kasus kelompok kontrol negatif, jaringan berserat diamati, tetapi pembentukan tulang baru minimal (baris atas pada gambar No. 4). Sampel dengan poli (asam glikolat laktat) juga tidak dapat membanggakan volume besar tulang yang baru terbentuk (baris ketiga).

Tetapi sampel di mana tulang hiperelastik diterapkan, sebaliknya, menunjukkan pembentukan jaringan tulang termineralisasi pada permukaan tepi cacat (baris ke-4). Pada minggu ke-8 pengamatan, di tempat-tempat cacat, jaringan fibrosa dan komponen sel membran muncul di dalam implan, dan pada minggu ke-12, pembentukan tulang baru di sekitar elemen-elemen kerangka implan dimulai.


Gambar No. 5

Dan akhirnya, analisis gambar SEM (scanning electron microscope) sampel dengan tulang hiperelastik pada 12 minggu pengamatan menunjukkan pembentukan kontak seluler dekat dari jaringan dengan bahan di dalam implan.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog

Dalam karya ini, para ilmuwan telah mendemonstrasikan jenis baru dari biomaterial osteogenik yang memungkinkan pembuatan implan untuk perawatan kerusakan tulang. Para ilmuwan menyebut fitur paling penting dari gagasan mereka: kemudahan implantasi, kemudahan produksi, efisiensi tinggi, biaya produksi rendah, dan penyesuaian implan untuk pasien tertentu.

Tulang hiperelastik benar-benar sangat fleksibel dan dapat mengambil bentuk yang diperlukan baik selama proses pembuatan dan pada saat implantasi, yang sangat memudahkan proses ini. Implan keramik dan polimer-keramik tidak bisa membanggakan ini.

Tetapi bahkan ini bukanlah keuntungan yang paling penting. Tingkat regenerasi tulang yang tinggi dan kelangsungan hidup implan jauh lebih penting. 4 minggu setelah implantasi, proses mineralisasi tulang aktif dimulai.

Para ilmuwan juga mencatat bahwa kecepatan dan efisiensi seperti itu sangat penting dalam kasus cacat yang cukup besar (seperti yang ditunjukkan selama percobaan praktis).

Penggunaan teknologi semacam itu dapat sangat menyederhanakan kehidupan dokter dan pasien. Individualitas perawatan, kecepatan produksi, implantasi, dan pemulihan cepat tanpa efek samping - ini adalah iklan yang sangat baik untuk teknologi baru. Di masa depan, para ilmuwan bermaksud untuk melakukan beberapa percobaan lagi, mempelajari lebih rinci proses regenerasi dan meningkatkan penemuan mereka.

Namun, perlu dicatat bahwa kehadiran inovasi tersebut tidak berarti bahwa Anda dapat mematahkan tulang kiri dan kanan. Jadi tidak ada yang membatalkan aturan keamanan.



Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?