Kunstige ben: den seneste i 3-D-udskrivning

Forskere har nogle interessante nyheder om fremskridt i menneskelige "reservedele". "

Det kan snart være muligt at erstatte beskadigede humane knogler med syntetiske, skræddersyede knogler, der er oprettet på en 3-D printer.

AdvertisementAdvertisement

Denne "hyperelastiske" knogle vil blive produceret med et "blæk" lavet af et naturligt calcium, der findes i humant knogle.

I et betydeligt fremskridt over nuværende metoder siger forskere, at de brugerdefinerede knogler hurtigt kunne fremkalde knogleregenerering og vækst.

Det kunne gøre medicinske procedurer mere effektive, mindre smertefulde og længerevarende.

Annonce

Applikationer kan omfatte reparation af kraniofaciale, dental-, spinal- og andre knogler og sportsmedicinske skader.

Forskere ved Northwestern University offentliggjorde deres resultater sidste måned i tidsskriftet Science Translational Medicine.

AnnonceAdvertise

Læs mere: Tandlæger vil snart udskrive 3-D antibakterielle tænder »

Hjælpe børn

Ramille Shah, Ph.D., der ledede forskergruppen, er assistent professor i materialevidenskab og ingeniørarbejde på Northwestern's McCormick School of Engineering og en assistent professor i kirurgi på Northwestern's Feinberg School of Medicine.

Shah beskriver hyperelastisk knogle som "en meget alsidig, vækstfaktorfri, osteoregenerativ, skalerbar og kirurgisk venlig biomateriale. ”

Forskerne skabte hyperelastisk knogle for at udføre en rygmarvfusion i en rotte og reparere en kraniumfejl i en rhesusab. Dyreforsøgene vil fortsætte.

Shah og hendes hold mener, at menneskelige forsøg på deres syntetiske knogle kunne begynde inden for fem år. Shah, som leder Shah Tissue Engineering og Additive Manufacturing Lab i Northwestern, sagde i et Healthline-interview, at målet med hendes team af forskere og klinikere var at "udvikle et 3-D printbart biomateriale til knoglevæv regenerering hos børn. "

Pædiatriske patienter, der lider af knoglefejl fra traume eller fødsel, kunne have stor gavn af denne teknologi.

"De nuværende materialer kirurger bruger til kraniofacial defekter er metalliske plader og skruer, og polymerer, men ikke nedbrydelige dem til ansigtsarbejde," Shah sagde. "Den primære måde nu er at tage stykker af knogle fra patientens ribben eller hofter og lave en" auto-graft "- form brikkerne for at passe det defektrum, de ønsker at omforme. Men denne metode kan forårsage problemer andre steder i kroppen. Auto-transplantater anvendes især med børn, fordi du ikke ønsker at bruge 'fremmedlegemer' hos pædiatriske patienter. "

Annonce

Bone implantation kirurgi er smertefuldt og kompliceret for børn, sagde hun. Knoglehøstning til et auto-graft kan føre til andre komplikationer og smerter.Metalliske implantater bruges nogle gange, men det er ikke en permanent løsning til voksende børn.

"Voksne har flere muligheder når det kommer til implantater," sagde Shah. "Pædiatriske patienter gør det ikke. Hvis du giver dem et permanent implantat, skal du gøre flere operationer i fremtiden, når de vokser. De kan stå over for mange års problemer. "

AnnonceAdvertisement

Læs mere: 3-D-stoffer: Dit apotek vil nu udskrive din recept»

De rigtige ingredienser

Naturlig knoglekomponent er kritisk for succes.

Hovedbestanddelen i Shahs biomateriale er hydroxyapatit, et calciumfosfat, der er det vigtigste strukturelle element (90 vægtprocent) af naturlige hvirveldyrsben.

Annonce

Shah og hendes kolleger blander 90 procent hydroxyapatit med 10 procent biokompatibel, biologisk nedbrydelig medicinsk polymer i et opløsningsmiddel, der gør tekstur mere som en væske end et fast stof.

"Konsistensen er som Elmer lim," sagde Shah.

AnnonceAdvertisement

Blandingen hedder "blæk", fordi den bruges i en 3-D printer.

Når først blandingen ekstruderes, fordampes hovedopløsningsmidlet straks og størkner materialet. Materialets struktur er porøs og kan anvendes ved stuetemperatur.

"Høj porøsitet er kritisk, fordi celler og blodkar skal infiltrere det strukturelle stillads for at forbedre vævsintegration," forklarede Shah.

Hertil kommer, at den høje koncentration af hydroxyapatit skaber et miljø, som fremkalder hurtig benregenerering.

"Den [hyperelastiske knogle] er designet til at nedbryde og ombygge sig i naturlig knogle og kan derfor vokse med patienten," sagde Shah. "Dette eliminerer behovet for fremtidige operationer, som det sker med metalliske plader eller implantater. "

Læs mere: Forskere opdager måde at udskrive menneskevæv»

Et alsidigt produkt

Hyperelastisk knogle er alsidig og kan printes i forskellige styrker.

Det omfatter meget elastiske knogler, dem der kan modstå betydelige belastninger såvel som dem der er mere hule eller tætte. Disse mekaniske egenskaber bestemmes af arkitekturen af ​​det 3-D-udskrevne objekt, sagde Shah.

Syntetisk knogle kunne tilpasses til hver patient.

Forskellige anvendelser omfatter reparationer af rygsøjlefrakturer, idrætsmedicinskader og ACL- og rotator manchetskader, der kræver helbredelse af blødt væv til knogle, siger Shah.

I kraniofacial- og tandbehandlinger og til ansigtsdeformationer kan erstatningsbenet udskrives "for at passe perfekt til patientens symmetri og anatomi, især i tilfælde hvor der er en æstetisk komponent, der er vigtig for patientens udfald", sagde hun.

"Materialet er også meget elastisk, og kirurger kan manipulere det," sagde Shah. "De tilgængelige materialer er meget fleksible og ikke svært at skære og forme. Da kirurger hørte om dette, var de meget spændte. "

Læs mere: Lev med en kunstig pancreasmaskine»

Vigtigt i hovedet, ansigtsoperationerne

Egenskaber ved hyperelastisk knogle er særlig afgørende for reparation af knogler i hoved og ansigt.

"I kraniofaciale defekter kan vi oprette et objekt, der retter eller dækker defekten, så vi kan bevare ansigtssymmetri," sagde Shah. 'Vi kan udskrive noget, der er patientspecifik. Materialet vil gå gennem stilladset. Dette er vigtigt, fordi hvis du ikke har blodkar inden for defekten, kan du få vævsnekrose [vævsdød]. På stilladset vil celler deponere nyt knoglemateriale. Med permanente implantater skal du erstatte dem med tiden. Dette nye materiale vokser med patienten og er ikke-invasiv. "

Antibiotika kunne tilføjes for at bekæmpe infektion.

Forskerne udfører 3-D-udskrivningsprocessen ved stuetemperatur, hvilket gør det muligt for dem at tilføje andre elementer, såsom antibiotika, til blækket.

"Vi kan inkorporere antibiotika for at reducere muligheden for infektion efter operationen," sagde Shah. "Vi kan også kombinere blækket med forskellige typer vækstfaktorer, hvis det er nødvendigt, for yderligere at forbedre regenerering. Det er virkelig et multifunktionelt materiale. "

Læs mere: Er hovedtransplantationer mulige … og etiske? »

Personlige udskiftninger

Kirurger, der bruger Shahs syntetiske knoglemateriale, kunne scanne patientens krop og skabe personlig erstatningsben på en 3-D printer.

Biomaterialets fleksible mekaniske egenskaber gør det muligt for lægerne let at skære og forme det til størrelse under en kirurgisk procedure. Ikke alene er dette hurtigere, sagde Shah, men også mindre smertefuldt sammenlignet med brugen af ​​auto-graft materiale.

Da hun begyndte sin forskning i 2009, modtog Shah fakultetet start-up funding og har haft løbende støtte fra National Institutes of Health (NIH).

Hun håber at få statsfinansiering og virksomhedsfinansiering, og har for nylig oprettet en opstartsvirksomhed på Northwestern for at undersøge ansøgninger om hendes arbejde.

Shah ser frem til en dag, hvor "omlægningstiden for et implantat, der er specialiseret til en kunde, kan være inden for 24 timer. Det kan ændre verden af ​​kraniofacial og ortopædkirurgi, og jeg håber, vil forbedre patientens resultater. ”