Ученые из Университета Нового Южного Уэльса добились значительного прогресса в разработке 3D-печатных каркасов, которые тесно имитируют механические свойства натуральной кости. Этот прорыв решает давнюю проблему в медицине: создание искусственных костных заменителей, которые работают так же хорошо, как, или даже лучше существующих металлических имплантатов или костных трансплантатов. Новые каркасы демонстрируют превосходную прочность, пористость и гидродинамику, приближая функциональную регенерацию костной ткани к реальности.
Проблема с современными костными заменителями
Традиционные методы восстановления поврежденных костей часто полагаются на металлические имплантаты или костные трансплантаты. Металлические имплантаты, хотя и прочные, могут быть слишком жесткими и создавать нагрузку на окружающие ткани. Костные трансплантаты, полученные из других частей тела пациента или от доноров, ограничены в доступности и сопряжены с риском отторжения или инфекции. 3D-печать предлагает выход из этих ограничений, но воспроизведение сложной структуры кости оказалось сложной задачей.
Натуральная кость одновременно легкая и прочная, с пористой структурой, которая поддерживает рост клеток и циркуляцию жидкости. Ранние попытки 3D-печатных каркасов часто не удавалось сбалансировать эти качества, либо они разрушались под давлением, либо не имели необходимой пористости для интеграции тканей.
Подражание природному дизайну
Исследователи преодолели этот барьер, изучая естественную архитектуру кости. Настоящая кость не однородна; она постепенно переходит от плотных, несущих нагрузку областей к более легким, губчатым участкам. Команда воспроизвела эту градиентную структуру, используя молочную кислоту (PLA), биосовместимый и биоразлагаемый пластик.
«Мы использовали конструктивный подход, вдохновленный натуральной костью. В кости структура плавно меняется от плотных областей к более открытым. Мы воссоздали эту идею, напечатав каркасы с градиентными структурами в разных направлениях». – доктор Хуан Пабло Эскобедо-Диас
Полученные каркасы, с пористостью около 55%, показали замечательные результаты в механических испытаниях. Они были на 60% прочнее и на 16% жестче при внезапных ударах по сравнению с медленным, устойчивым давлением, что делает их потенциально идеальными для несущих нагрузку имплантатов. Направление градиентной структуры также влияло на закономерности разрушения, давая дизайнерам еще один способ тонкой настройки свойств материала.
Прохождение жидкости и будущие перспективы
Важно отметить, что жидкости проходили через каркасы таким образом, который тесно напоминает естественную кость, что критически важно для доставки питательных веществ и выведения отходов во время заживления. Хотя эти каркасы еще не обладают способностью к самовосстановлению или адаптации, как у живой кости, они представляют собой серьезный шаг вперед.
Исследователи рассчитывают на клиническое применение в течение 5-10 лет, в зависимости от дальнейших испытаний и одобрения регулирующих органов. Первоначально их можно будет использовать в исследованиях и моделировании, специфичном для пациентов, в конечном итоге приводя к замене крупных костных дефектов, например, в бедренной кости. Команда сейчас сосредоточена на биомиметических конструкциях, которые более точно воспроизводят естественные структуры кости, включая сложные узоры и градиенты.
Это исследование подчеркивает потенциал 3D-печати для революции в регенерации костей, предлагая будущее, в котором искусственные имплантаты могут не только поддерживать, но и интегрироваться с естественными процессами заживления организма.
