Implanty kości z drukarki 3D coraz lepsze

Amerykańscy naukowcy opracowali nową metodę druku 3D, która może doprowadzić nas do stworzenia idealnych implantów kości. Te są potrzebne we współczesnej medycynie „na już”.

Operacje twarzoczaszki mogą wymagać usunięcia dużych fragmentów kości, a lekarze często pobierają materiał z innej części ciała, by uzupełnić ubytek. Z czysto medycznego punktu widzenia, nie jest to sytuacja idealna, gdyż może prowadzić do poważnych powikłań. Problem jest jednak taki, że alternatyw dla takich autotransplantacji wciąż nie ma. Dzięki implantom z drukarki 3D wytworzonym przez uczonych z Johns Hopkins University wkrótce może się to zmienić.

Problematyczne przeszczepy

Potrzeba stworzenia substytutów kości twarzoczaszki jest większa niż kiedykolwiek wcześniej. Rocznie ok. 200 tys. osób wymaga wszczepienia implantów kości, mimo iż wielu z nich nie udaje się pomóc na czas. Klasyczna chirurgia jest w tej materii dość skuteczna – z nogi pacjenta pobiera się fragment kości, docina się go do wymaganego kształtu i wszczepia w miejsce ubytku. Ponieważ jest to autotransplantacja, czyli przeszczep z organizmu pacjenta, nie ma ryzyka odrzucenia „nowej” tkanki.

Problemy pojawiają się wtedy, gdy ubytek kostny jest zbyt duży lub ma zbyt nieregularny kształt. Ze względu na prostą (dosłownie) naturę kości nóg, nie można ich formować w nieskończoność. Nie oszukujmy się także, że pacjent, któremu z nogi zostaje pobrany fragment kości przeżywa prawdziwą traumę i w mniejszym lub większym stopniu staje się niepełnosprawny. Oczywiste jest, że potrzebne są lepsze i skuteczniejsze techniki uzupełniania ubytków kości twarzoczaszki.

W poszukiwaniu remedium na ten problem, naukowcy z Johns Hopkins University, jednej z najlepszych amerykańskich uczelni medycznych, skierowali swój wzrok w stronę druku 3D. Metoda, która opiera się na nanoszeniu kolejnych warstw materiału na siebie, pozwala na tworzenie obiektów o niestandardowych, trójwymiarowych kształtach. Daje tym samym lekarzom możliwość produkcji spersonalizowanych pod konkretnego pacjenta, dokładnych anatomicznie implantów.

Jak wydrukować kość

W druku 3D najczęściej jest wykorzystywany plastik, ale w przypadku komórek nanoszonych na drukowane rusztowanie, z którym powinny wchodzić w odpowiednią interakcję, niezbędna jest obecność fragmentu materiału organicznego. Mając to na uwadze, naukowcy pracowali nad stworzeniem kompozytowego implantu, który łączyłby w sobie wytrzymałość i wszechstronność plastiku z biologicznym dopasowaniem, którego kość potrzebuje. Amerykanie postawili na biodegradowalny polimer o nazwie polikaprolakton (PCL), który miesza się z kością, która została przeobrażona do postaci proszku.

PCL jest powszechnie stosowany w medycynie. Ponieważ w organizmie człowieka ulega on stopniowemu, powolnemu rozkładowi na skutek hydrolizy wiązań estrowych (trwającemu ok. 2 lat), jest on stosowany do produkcji implantów i wchłanialnych nici chirurgicznych. Co ciekawe, poprzez stosowanie kopolimerów polilaktydowych, można przyspieszyć czas biodegradacji PCL (w razie potrzeby). Materiał ten idealnie nadaje się do druku 3D.

Sproszkowana kość zawiera proteiny niezbędne do zachowania struktury ciała oraz prokostne czynniki wzrostu, które pomagają niedojrzałym komórkom macierzystym przeobrazić się w komórki kości. Dodaje również szorstkości do PCL, co stanowi przyczep dla komórek i wzmacnia przepływ czynników wzrostu.

– Warren Grayson, jeden z autorów odkrycia.

Naukowcy próbowali różnych mieszanek dwóch wspomnianych materiałów; testując opcje z 5-, 30-, 70- i 85-procentową zawartością proszku kostnego. Pierwsze trzy z wymienionych mieszanek drukowały się dobrze, ale implant z najwyższą procentową zawartością sproszkowanej kości (85 %) miał za mało PCL, aby utrzymać stabilną wydrukowaną strukturę przestrzenną.

Po wyeliminowaniu tej mieszanki z dalszych eksperymentów, naukowcy przeszli do kolejnej tury testów, która miała wykazać, jak dobrze wydrukowany szkielet zachęca komórki do odtwarzania kości. W tym celu, w miejsce ubytku dodano się komórki macierzyste pochodzące z tkanki tłuszczowej zbieranej po zabiegach liposukcji.

Wyniki eksperymentu były bardzo obiecujące. W porównaniu do czystego PCL, materiał z 70-procentową mieszanką proszku kostnego wykazywał setki razy wyższą aktywność genów odpowiedzialnych za formację kości. Także w próbce z 30-procentową zawartością sproszkowanej kości wykryto taką aktywność, ale była ona znacznie niższa niż w wymienionym wcześniej przypadku.

Następnie do roztworu dodaje się beta-glicerofosforan, który umożliwia enzymom obecnym w komórkach rozpoczęcie odkładania wapnia do tworzonej kości. W przypadku roztworu z 70-procentową sproszkowaną kości odkładało się dwa razy więcej wapnia niż w czystym PCL, natomiast 30-procentowa mieszanka wyprodukowała tego pierwiastka o 30 % więcej.

Ostatnim sprawdzianem było wszczepienie wydrukowanej kości myszom z ubytkami w twarzoczaszce. Po umieszczeniu rusztowania wraz z porcją komórek macierzystych na swoim miejscu, rozpoczęła się właściwa odbudowa kości. Tomografia komputerowa wykazała, że regeneracja wystartowała w 12 tygodniu eksperymentu, a także, że aż o połowę więcej kości rosło w implancie zawierającym proszek kostny niż w wariantach jedynie z PCL.

Co dalej?

Oba eksperymenty jasno wskazały kierunek, w którym powinna podążać medycyna regeneracyjna. Zastosowanie mieszanki z proszkiem kostnym daje lepsze rezultaty niż wykorzystanie samodzielnego PCL. Póki co, nie wiadomo jeszcze, czy lepsza jest wersja z 30-, czy z 70-procentowym proszkiem kostnym. Wciąż przed nami daleka droga do ostatecznego celu, jakim niewątpliwie jest nowy, lepszy człowiek.