Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii poczynili znaczny postęp w opracowywaniu rusztowań drukowanych w 3D, które dokładnie naśladują właściwości mechaniczne naturalnej kości. Ten przełom rozwiązuje długotrwały problem medycyny: stworzenie sztucznych substytutów kości, które działają równie dobrze lub lepiej niż istniejące metalowe implanty lub przeszczepy kostne. Nowe rusztowania charakteryzują się wyjątkową wytrzymałością, porowatością i dynamiką płynów, dzięki czemu funkcjonalna regeneracja kości staje się bliższa rzeczywistości.
Problem z nowoczesnymi substytutami kości
Tradycyjne metody naprawy uszkodzonych kości często opierają się na metalowych implantach lub przeszczepach kości. Implanty metalowe, choć trwałe, mogą być zbyt sztywne i powodować nacisk na otaczającą tkankę. Przeszczepy kości uzyskane z innych części ciała pacjenta lub od dawców mają ograniczoną dostępność i niosą ze sobą ryzyko odrzucenia lub zakażenia. Druk 3D oferuje wyjście z tych ograniczeń, ale odtworzenie złożonej struktury kości okazało się wyzwaniem.
Naturalna kość jest zarówno lekka, jak i mocna, ma porowatą strukturę, która wspomaga wzrost komórek i krążenie płynów. Wczesne próby stworzenia rusztowań drukowanych w 3D często nie pozwalały na zrównoważenie tych cech, albo zapadały się pod ciśnieniem, albo brakowało im porowatości niezbędnej do integracji tkanek.
Imitacja naturalnego projektu
Naukowcy pokonali tę barierę, badając naturalną architekturę kości. Prawdziwa kość nie jest jednolita; stopniowo przemieszcza się z gęstych, nośnych obszarów do jaśniejszych, gąbczastych obszarów. Zespół odtworzył tę strukturę gradientową przy użyciu kwasu mlekowego (PLA), biokompatybilnego i biodegradowalnego plastiku.
“Przyjęliśmy podejście do projektowania inspirowane naturalną kością. W kości struktura zmienia się płynnie z obszarów gęstych do bardziej otwartych. Odtworzyliśmy ten pomysł, drukując rusztowania ze strukturami gradientowymi w różnych kierunkach.” – Doktor Juan Pablo Escobedo-Diaz
Otrzymane rusztowania o porowatości około 55% wykazały doskonałe wyniki w testach mechanicznych. Były 60% mocniejsze i 16% sztywniejsze przy nagłych uderzeniach w porównaniu do powolnego, stałego nacisku, co czyni je potencjalnie idealnymi do implantów nośnych. Kierunek struktury gradientu również wpływał na wzorce uszkodzeń, dając projektantom kolejny sposób na dostrojenie właściwości materiału.
Przepływ płynów i perspektywy na przyszłość
Co ważne, płyny przepływały przez rusztowania w sposób bardzo przypominający naturalną kość, która ma kluczowe znaczenie dla dostarczania składników odżywczych i usuwania odpadów podczas gojenia. Chociaż rusztowania te nie mają jeszcze właściwości samoleczenia ani adaptacji żywych kości, stanowią one poważny krok naprzód.
Naukowcy spodziewają się zastosowania klinicznego w ciągu 5 do 10 lat, w zależności od dalszych testów i zatwierdzenia przez organy regulacyjne. Można je początkowo wykorzystać w badaniach i modelowaniu dostosowanych do potrzeb pacjenta, co ostatecznie doprowadzi do zastąpienia dużych ubytków kości, takich jak kość udowa. Zespół koncentruje się obecnie na projektach biomimetycznych, które lepiej odwzorowują naturalne struktury kości, w tym złożone wzory i gradienty.
Badanie to podkreśla potencjał druku 3D w zakresie zrewolucjonizowania regeneracji kości, sugerując przyszłość, w której sztuczne implanty mogą nie tylko wspierać, ale integrować z naturalnymi procesami gojenia organizmu.
