Vědci z University of New South Wales dosáhli významného pokroku ve vývoji 3D tištěných scaffoldů, které věrně napodobují mechanické vlastnosti přirozené kosti. Tento průlom řeší dlouhodobý problém v medicíně: vytváření umělých kostních náhrad, které fungují stejně dobře nebo lépe než stávající kovové implantáty nebo kostní štěpy. Nové lešení demonstruje vynikající pevnost, poréznost a dynamiku tekutin, čímž přibližuje funkční regeneraci kostí realitě.
Problém s moderními kostními náhradami
Tradiční metody opravy poškozených kostí často spoléhají na kovové implantáty nebo kostní štěpy. Kovové implantáty, přestože jsou odolné, mohou být příliš tuhé a namáhají okolní tkáň. Kostní štěpy získané z jiných částí těla pacienta nebo od dárců mají omezenou dostupnost a nesou riziko odmítnutí nebo infekce. 3D tisk nabízí cestu z těchto omezení, ale reprodukce složité struktury kosti se ukázala jako náročná.
Přirozená kost je lehká a pevná, s porézní strukturou, která podporuje buněčný růst a cirkulaci tekutin. Rané pokusy o 3D tištěné lešení často nedokázaly tyto vlastnosti vyvážit, buď se zhroutily pod tlakem, nebo postrádaly potřebnou poréznost pro integraci tkání.
Imitace přírodního designu
Vědci tuto bariéru překonali studiem přirozené architektury kostí. Skutečná kost není jednotná; postupně přechází z hustých, nosných oblastí do lehčích, houbovitých oblastí. Tým reprodukoval tuto strukturu gradientu pomocí kyseliny mléčné (PLA), biokompatibilního a biologicky odbouratelného plastu.
“Zvolili jsme designový přístup inspirovaný přirozenou kostí. V kosti se struktura plynule mění z hustých oblastí na otevřenější. Tuto myšlenku jsme znovu vytvořili tiskem lešení s gradientními strukturami v různých směrech.” – Dr. Juan Pablo Escobedo-Diaz
Výsledné lešení s porozitou asi 55 % vykazovalo vynikající výsledky v mechanických testech. Byly 60 % pevnější a o 16 % tužší při náhlých nárazech ve srovnání s pomalým, stálým tlakem, díky čemuž jsou potenciálně ideální pro nosné implantáty. Směr struktury gradientu také ovlivnil vzory poruch, což návrhářům poskytlo další způsob, jak doladit vlastnosti materiálu.
Průchod tekutin a vyhlídky do budoucna
Důležité je, že tekutiny proudily přes lešení způsobem, který se velmi podobal přirozené kosti, což je rozhodující pro dodávání živin a odstraňování odpadu během hojení. Přestože tato lešení ještě nemají samoléčivé nebo adaptivní schopnosti živé kosti, představují velký krok vpřed.
Výzkumníci očekávají klinické použití během 5 až 10 let, v závislosti na dalším testování a schválení regulačními orgány. Ty by mohly být zpočátku použity ve výzkumu a modelování specifickém pro pacienta, což by nakonec vedlo k náhradě velkých kostních defektů, jako je femur. Tým se nyní zaměřuje na biomimetické návrhy, které přesněji kopírují přirozené kostní struktury, včetně složitých vzorů a gradientů.
Tento výzkum zdůrazňuje potenciál 3D tisku pro revoluci v regeneraci kostí, což naznačuje budoucnost, ve které umělé implantáty mohou nejen podporovat, ale integrovat se s přirozenými procesy hojení těla.
