Если вы сломаете кость в будущем, 3D-принтер и специальные чернила могут быть вашим лучшим лекарством. Исследователи создали то, что они называют «гиперэластичной костью», которую можно изготовить в нужный момент, и она будет работать почти так же, как настоящая кость, по крайней мере, у обезьян и крыс это так. Хотя пока она не готова для имплантации в организм человека, биоинженеры настроены оптимистично, считая, что материал может быть необходимым скачком в деле быстрого лечения травм — начиная от костей, поражённых раком, до проломленных черепов.
Хирурги в настоящее время заменяют разрушенные или недостающие кости множеством типов имплантов. Наиболее распространённым вариантом является аутотрансплантат, когда фрагмент кости берётся из собственного тела пациента, как правило, из бедра или ребра, и имплантируется в другое место в его же скелете. Хирурги предпочитают аутотрансплантаты, потому что это реальные кости со стволовыми клетками, развивающимися в клетки хрящевой и костной ткани, что обеспечивает дополнительную поддержку нового трансплантата. (Люди не могут вырастить с нуля целые скелеты с помощью стволовых клеток, но существующая кость может сигнализировать стволовым клеткам, куда расти и во что расти). Более того, поскольку новая замена кости происходит из собственного тела пациента, нет риска иммунного отторжения. Можно пересадить лишь ограниченное количество скелетного материала, а это предполагает ещё одну болезненную операцию и последующее восстановление.
Другой вариант замены — скаффолд, побуждающий кость к дальнейшему росту. Эти скаффолды, изготовленные из натуральных и синтетических материалов, действуют как каркас здания. При введении в организм стволовые клетки фиксируются на них и затем дифференцируются в клетки, начинающие строить кости, так же, как строительные рабочие монтируют стены, полы и стёкла вокруг стальных балок небоскрёба.
Или, по крайней мере, так это должно работать — в отличие от аутотрансплантата, стволовые клетки не всегда превращаются в нужную кость или хрящ из-за материальной структуры скаффолда. Исследователи могут выращивать стволовые клетки на материале под названием фосфат кальция, но этот скаффолд неэластичен и хрупок, что затрудняет имплантацию. Что ещё хуже, иммунная система иногда распознаёт эти скаффолды как чужеродные и атакует их, предотвращая рост костей. Врачи опасаются, что если скаффолд будет использоваться для регенерации например, мелких костей, многие из которых находятся в лице, то на то, чтобы сделать их из фосфата кальция, уйдёт слишком много времени и денег.
Исследователи из Северо-Западного университета (Northwestern University) в городе Эванстон (Evanston), в штате Иллинойс работают над созданием материала для решения всех этих вопросов. Созданные ими гиперэластичные кости является разновидностью скаффолда, состоящего из гидроксиапатита, природного минерала, присутствующего в наших костях и зубах, и биосовместимого полимера поликапролактона, и растворителя. Гидроксиапатит обеспечивает прочность и подаёт химические сигналы стволовым клеткам создавать кости. Поликапролактон увеличивает гибкость, а растворитель склеивает слои, когда он испаряется во время печати. Смесь добавляют в чернила, слой за слоем распыляемые принтером в точные формы, соответствующие требующей замены кости. Идея заключается в том, чтобы пациент, пришедший с ужасно сломанной костью, скажем, сломанной челюстью, вместо того, чтобы проходить через болезненную операцию аутотрансплантации или ожидать, когда будет изготовлен подходящий скаффолд, шёл бы на рентген, по результатам которого скаффолд из гиперэластичной кости печатали бы в тот же день.
«Мы печатаем гибкие скаффолды, которые будут стимулировать кости расти через них и вокруг них», — объяснила Рамилл Шах (Ramille Shah), материаловед и соавтор исследования.
Чтобы испытать материал, команда сначала протестировала распечатанный на 3D-принтере скаффолд в качестве материала для сращивания позвонков у крыс. Они хотели убедиться, что материал сможет правильно зафиксировать два соседних позвонка, так же, как другие скаффолды, обычно используемые для лечения травм позвоночника. Спустя восемь недель после того, как исследователи имплантировали гиперэластичные кости, они обнаружили, что новые кровеносные сосуды вросли в скаффолд — это необходимо для того, чтобы сохранить костеобразующую ткань живой — а из существующих крысиных стволовых клеток начала формироваться кальцинированная кость. Экспериментальная комбинация срастила позвонки более эффективно, чем контрольные образцы, полученные из костного трансплантата от донора, сообщают исследователи в Science Translational Medicine.
Исследователи также использовали гиперэластичные кости для восстановления повреждённого черепа макаки. Через 4 недели имплантат из гиперэластичной кости, был пронизан кровеносными сосудами и кальцинированной костью. Не менее важно, что макака не страдала от каких-либо побочных эффектов, которые могут вызывать многие синтетические имплантаты, например, таких как воспаление или инфекция.
Поскольку материалы, то есть гидроксиапатит наряду с полимером и растворителем широко используются в биомедицинских инженерных лабораториях, гиперэластичные кости будет дёшево печатать. Более того, исследователи смогли по стандартам 3D-печати создать скаффолды очень быстро — на каждый ушло менее 5 часов. В будущем можно будет напечатать скаффолды согласно точным спецификациям, которые были бы полезны при хирургическом восстановлении лица, или распечатать пластины, из которых хирурги смогут вырезать скаффолды такой формы, какая им будет нужна, говорит Шах.
Тем не менее, работа должна быть воспроизведена ещё много раз, прежде чем можно будет перейти к операциям на человеке, говорит Скотт Холлистер (Scott Hollister), биомедицинский инженер из Мичиганского университета в Анн-Арборе (University of Michigan), не участвовавший в исследовании. Если всё получится, это может быть благом для пациентов по всему земному шару. «Возможность легко печатать индивидуальные импланты является большим достижением и предоставит много возможностей в областях от пластической хирургии до удаления опухолей и заживления тканей».
