Cute bones 3D: material ósseo hiperelástico para defeitos plásticos do crânio

Temos cerca de 205 deles, no total, pesam cerca de 5-6 kg e a cada 10 anos são completamente atualizados no nível celular. E há uma expressão idiomática afirmando que todo mundo tem no armário. Naturalmente, trata-se do esqueleto e dos ossos que o compõem. A lesão óssea é uma das lesões mais comuns no mundo. Às vezes, essas lesões não requerem tratamento ósseo, mas sua substituição. O transplante ósseo está associado a vários perigos para o paciente, incluindo dor subsequente, infecção, sangramento, danos aos tecidos conjugados, etc.

Alguns cientistas acreditam que a chave para o sucesso da transplantologia óssea está no uso de ossos impressos, o que será ideal para um paciente em particular e estará livre de defeitos. Como os cientistas imprimiram os ossos, o que foi aplicado para isso e quais resultados a operação de implantação em um rato mostrou? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Os métodos para o tratamento de lesões ósseas não mudaram muito desde os tempos antigos. Os cientistas analisaram até 36 esqueletos neandertais que mostraram sinais de fraturas. Destes, apenas 11 tratamentos dessas lesões podem ser considerados malsucedidos.

No entanto, esse sucesso do tratamento em todos os momentos não se aplica a todos os tipos de fraturas. Algumas lesões foram tratadas com sucesso e sem conseqüências, mesmo com equipamentos, conhecimentos e técnicas modernas e suficientes.

No momento, aloenxertos ou materiais aloplásticos são frequentemente usados ​​em transplantes ósseos.

Alotransplante * - um transplante de órgão de pessoa para pessoa (de um indivíduo de uma espécie de um indivíduo da mesma espécie).

Esses métodos são bastante avançados, mas não onipotentes. Os defeitos craniomaxilofaciais (origem congênita, oncológica ou traumática) são bastante complexos. Nesses casos, são necessários implantes específicos para um paciente em particular. Portanto, eles não podem ser retirados do doador, mas devem ser fabricados. Nesses casos, a cranioplastia é usada, mas o implante não terá regeneração e não crescerá junto com outros ossos do paciente. Também são utilizadas esponjas ósseas, matriz óssea desmineralizada, cavacos ósseos sintéticos ou betumes, que preenchem a área do defeito. Mas esses materiais não são porosos e têm porosidade limitada limitada. Por esse motivo, a migração celular da superfície e a vascularização (vascularização) das células são reduzidas, o que pode levar ao encapsulamento * em vez da integração do tecido. Como resultado, o risco de infecção aumenta bastante.

Encapsulamento * - a formação de uma cápsula ao redor de um corpo estranho no corpo.

Os pesquisadores sugerem o uso da impressão tridimensional, porque esse método permite que você faça um implante barato que, idealmente, se ajusta a um defeito específico em um paciente em particular.

Os pesquisadores também observam que na impressão tridimensional biomédica até o momento há uma falta de materiais de alto desempenho que combinem facilidade de fabricação, uso na impressão e funcionalidade biológica. E isso significa que você precisa criar seu próprio material, naturalmente.


Osso hiperelástico

E o nome desse novo material é "osso hiperelástico" (material ósseo hiperelástico). Esse material osteorregenerativo é produzido por extrusão à temperatura ambiente de hidroxiapatita (sólido, 90% da massa total) e poli (ácido glicólico láctico) (líquido, 10% da massa total) em formas tridimensionais sem a necessidade de sinterização * , cura * ou outras formas de estabilização física e química.

Sinterização * é o processo de fabricação de materiais sólidos e porosos a partir de uma base de pó fino a temperaturas elevadas e / ou alta pressão.

A cura * é um processo irreversível de conversão de oligômeros reativos líquidos e (ou) monômeros em polímeros reticulados sólidos, não fundidos e insolúveis.

A moldura impressa tridimensional resultante possui boa elasticidade e alta absorção. Além disso, a estrutura induz a diferenciação osteogênica * da medula óssea derivada de células-tronco mesenquimais humanas sem a adição de catalisadores osteoindutores.

Diferenciação celular * - o processo de formação de um fenótipo especializado de uma célula que exibe suas funções. Exagerado, o emprego de células, que anteriormente não possuíam a profissão exata.

Ao mesmo tempo, o osso hiperelástico não causou uma resposta imune negativa, tornou-se vascularizado e integrado aos tecidos circundantes, apoiando o crescimento do novo osso. Outra conquista é a capacidade de transferir células-tronco gordurosas humanas transduzidas através de um implante impresso.

A seguir, examinaremos mais de perto os resultados do teste prático. Os cientistas realizaram uma análise comparativa da capacidade osteorregenerativa do osso hiperelástico e uma variante comercial (osso autólogo) com defeitos críticos de tamanho em ratos. Mas primeiro, um pouco sobre a preparação para o experimento e como foram feitos o material de teste e o implante.

Fabricação de osso hiperelástico

Como já sabemos, a estrutura óssea hiperelástica foi feita de hidroxiapatita e poli (ácido glicólico láctico).


Impressora BioPlotter

Todas as amostras foram impressas com a impressora BioPlotter Manufacturing da EnvisionTEC. A espessura das folhas (5x5 cm), consistindo em 5 camadas de 120 μm cada, totalizou 0,6 mm. Em seguida, espaços em branco redondos (8 mm de diâmetro) foram espremidos para fora das folhas usando um estilete de biópsia. Os espaços em branco resultantes foram lavados e esterilizados.


Imagem 1: processo de fabricação de implantes.

Operação de implantação

Ratos de laboratório Sprague-Dawley, machos pesando aproximadamente 500 gramas cada, foram utilizados como sujeitos experimentais.

Durante a operação, os sujeitos estavam sob anestesia geral (2% de isoflurano / 100% de oxigênio). Foi realizada uma incisão sagital (1,5 cm) entre as suturas lambdoides e coronais para expor o crânio. Usando uma broca manual com trefina (uma agulha com um moinho ou uma broca para formar orifícios nos tecidos densos), foi criado um defeito de crânio artificial de 8 mm de diâmetro.

Os sujeitos foram divididos em 4 grupos:

• 7 indivíduos - grupo controle negativo (sem implante no defeito);
• 6 indivíduos - grupo controle positivo (com osso autólogo como implante);
• 6 indivíduos - grupo de estudo nº 1 (com uma estrutura de poli (ácido leite-glicólico) como implante);
• 10 indivíduos - grupo de estudo n ° 2 (com osso hiperelástico como implante).

Após o implante (com ou sem ele), o periósteo e a pele foram fechados com sutura absorvível móvel e analgésicos foram administrados aos sujeitos experimentais. Os sujeitos foram mantidos em células em dois. O acesso à água e comida era ilimitado.

As amostras de crânio foram analisadas por tomografia computadorizada de feixe cônico. Áreas de interesse foram excisadas dos ossos do crânio, colocadas em etanol a 70% e escaneadas usando um tomógrafo de microcomputador. Em seguida, usando o software de análise de imagens médicas (Mimics Medical 19.0), os cientistas examinaram mais detalhadamente as áreas do crânio onde os implantes foram implantados.

Após a tomografia computadorizada, as amostras foram cortadas ao meio para análise histológica e visualizadas por microscopia eletrônica de varredura. Também foi feita uma avaliação do grau de regeneração após 8 e 12 semanas.

E agora prosseguimos diretamente para os resultados das observações.

Resultados da pesquisa

Imagem nº 3a: cinza - com osso autólogo; preto - sem implante; azul - com um implante de poli (ácido leite-glicólico); vermelho - com osso hiperelástico.

A imagem acima ( 3a ) mostra reconstruções tridimensionais do feixe cônico e tomografia microcondicionada. A quantidade de tecido ósseo regenerado foi determinada pela quantidade de osso mineralizado como uma fração do volume total de tecido de interesse. O volume ósseo por fração do volume total para osso hiperelástico, ácido poli (láctico-glicólico) e para o grupo controle negativo foi normalizado em relação ao volume ósseo por fração do volume total para o grupo controle positivo (com osso autólogo). Assim, foi realizada uma análise comparativa dos indicadores de desempenho de todas as opções de implantes.


Imagem # 3b

Feixe cônico e tomografia computadorizada mostraram aumento na quantidade de matriz óssea mineralizada nos defeitos tratados com implantes ósseos hiperelásticos ( 3b ).

De acordo com a tomografia de feixe cônico, o volume de osso mineralizado no caso de implante ósseo hiperelástico foi de 55,7% em 8 semanas e 57,0% em 12 semanas de observação. De acordo com a tomografia computadorizada, 36,1% na semana 8 e 37,1% na semana 12 das observações. São dados antes da normalização.

Em seguida, foi realizada a normalização para os indicadores do volume de osso mineralizado no caso de transplantes autólogos. Agora ficou claro que o volume de regeneração usando osso hiperelástico era de 95,6% e 82,0% (8ª e 12ª semana de observação) do volume do grupo controle positivo (com osso autólogo). E a tomografia computadorizada produziu os seguintes resultados: 74,2% e 64,5% (8ª e 12ª semana de observações).

O uso exclusivo de poli (ácido glicólico láctico) como material para implantação mostrou-se bastante ineficaz: 16,6% e 22,5% (8a e 12a semana de observação) do grupo controle positivo. A ineficiência desse método também é confirmada pelo fato de seus resultados não diferirem significativamente dos resultados do grupo controle negativo, que não possuía implantes: 10,3% e 13,8% na tomografia por feixe cônico e 14,5% e 19,5% na tomografia microcomputada.

A comparação dos resultados do novo material testado (osso hiperelástico) com os resultados do grupo controle negativo mostrou uma diferença no volume de osso mineralizado em 7,81 vezes em 8 semanas e 5,75 vezes em 12 semanas em favor do osso hiperelástico.

Assim, em termos de volume de regeneração, o uso de osso hiperelástico é praticamente comparável ao uso de variantes de implantes comerciais com osso autólogo.


Imagem No. 4: setas - borda defeituosa; Ft - tecido fibroso (fibroso); Mc é um componente de membrana celular; Nb é o novo osso.

A análise histológica realizada confirmou apenas os dados do feixe cônico e da tomografia computadorizada. Os cientistas identificaram as bordas dos defeitos e a formação de um novo osso foi especialmente corada com eosina para melhor visualização.

No caso do grupo controle negativo, observou-se tecido fibroso, mas a formação de um novo osso foi mínima (linha superior na imagem nº 4). As amostras com poli (ácido glicólico láctico) também não podiam se orgulhar de um grande volume de osso recém-formado (terceira fila).

Porém, as amostras onde o osso hiperelástico foi aplicado, pelo contrário, mostraram a formação de tecido ósseo mineralizado na superfície das bordas dos defeitos (4ª fila). Na 8ª semana de observações, nos locais dos defeitos, o tecido fibroso e os componentes das células da membrana aparecem dentro do implante e, na 12ª semana, começa a formação de um novo osso ao redor dos elementos da estrutura do implante.


Imagem No. 5

E, finalmente, a análise de imagens SEM (microscópio eletrônico de varredura) de amostras com osso hiperelástico às 12 semanas de observação mostrou a formação de contato celular próximo dos tecidos com o material dentro do implante.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas .

Epílogo

Neste trabalho, os cientistas demonstraram um novo tipo de biomateriais osteogênicos que permitem a criação de implantes para o tratamento de defeitos ósseos. Os cientistas chamam as características mais importantes de sua criação: facilidade de implantação, facilidade de fabricação, alta eficiência, baixo custo de produção e personalização do implante para um paciente em particular.

O osso hiperelástico é realmente muito flexível e pode assumir a forma necessária durante o processo de fabricação e no momento da implantação, o que facilita muito esse processo. Implantes de cerâmica e polímero-cerâmica não podem se orgulhar disso.

Mas mesmo essa não é a vantagem mais importante. Um alto grau de regeneração óssea e sobrevivência do implante é muito mais importante. 4 semanas após a implantação, inicia-se um processo ativo de mineralização óssea.

Os cientistas também observam que essa velocidade e eficiência são extremamente importantes no caso de defeitos suficientemente grandes (como foi demonstrado durante experimentos práticos).

O uso dessa tecnologia pode simplificar bastante a vida de médicos e pacientes. A individualidade do tratamento, a velocidade de produção, implantação e uma rápida recuperação sem efeitos colaterais - este é um excelente anúncio para a nova tecnologia. No futuro, os cientistas pretendem realizar várias outras experiências, estudar mais detalhadamente o processo de regeneração e melhorar sua invenção.

No entanto, vale a pena notar que a presença de tais inovações não significa que você pode quebrar ossos à esquerda e à direita. Portanto, ninguém cancelou as regras de segurança.



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