Вчені з Університету Нового Південного Уельсу досягли значного прогресу в розробці 3D-друкованих каркасів, які точно імітують механічні властивості натуральної кістки. Цей прорив вирішує давню проблему в медицині: створення штучних замінників кістки, які працюють так само добре або краще, ніж існуючі металеві імплантати або кісткові трансплантати. Нові каркаси демонструють чудову міцність, пористість і динаміку рідини, наближаючи функціональну регенерацію кістки до реальності.
Проблема з сучасними замінниками кістки
Традиційні методи відновлення пошкоджених кісток часто покладаються на металеві імплантати або кісткові трансплантати. Металеві імплантати, незважаючи на міцність, можуть бути занадто жорсткими та створювати навантаження на навколишні тканини. Кісткові трансплантати, отримані з інших частин тіла пацієнта або від донорів, обмежені в доступності та містять ризик відторгнення або інфікування. 3D-друк пропонує вихід із цих обмежень, але відтворення складної структури кістки виявилося складним завданням.
Натуральна кістка є водночас легкою та міцною, з пористою структурою, яка підтримує ріст клітин і циркуляцію рідини. Ранні спроби 3D-друкованих каркасів часто не вдавалися до балансу між цими якостями, або вони руйнувалися під тиском, або не мали необхідної пористості для інтеграції в тканини.
Імітація природного дизайну
Дослідники подолали цей бар’єр, вивчаючи природну архітектуру кістки. Справжня кістка неоднорідна; вона поступово переходить від щільних, що несуть навантаження, до більш легких, губчастих ділянок. Команда відтворила цю градієнтну структуру за допомогою молочної кислоти (PLA), біосумісного та біорозкладаного пластику.
“Ми застосували підхід до дизайну, натхненний природною кісткою. У кістці структура плавно змінюється від щільних ділянок до більш відкритих. Ми відтворили цю ідею, надрукувавши каркаси з градієнтними структурами в різних напрямках.” – Доктор Хуан Пабло Ескобедо-Діас
Отримані каркаси з пористістю близько 55% показали відмінні результати в механічних випробуваннях. Вони були на 60% міцнішими та на 16% жорсткішими під раптовими ударами порівняно з повільним, постійним тиском, що робить їх потенційно ідеальними для несучих імплантатів. Напрям градієнтної структури також вплинув на картини руйнування, надаючи дизайнерам інший спосіб точного налаштування властивостей матеріалу.
Прохід рідини та майбутні перспективи
Важливо те, що рідини течуть через каркаси таким чином, що дуже нагадує природну кістку, що є критичним для доставки поживних речовин і видалення відходів під час загоєння. Хоча ці каркаси ще не мають здатності до самовідновлення або адаптації живої кістки, вони являють собою великий крок вперед.
Дослідники очікують клінічного використання протягом 5-10 років, залежно від подальшого тестування та схвалення регуляторних органів. Спочатку їх можна було б використовувати в дослідженнях і моделюванні окремих пацієнтів, що згодом призвело б до заміщення великих кісткових дефектів, наприклад у стегновій кістці. Зараз команда зосереджена на біоміметичних конструкціях, які більш точно повторюють природні кісткові структури, включаючи складні візерунки та градієнти.
Це дослідження підкреслює потенціал 3D-друку для революції в регенерації кісток, припускаючи майбутнє, в якому штучні імплантати зможуть не тільки підтримувати, а й інтегруватися з природними процесами загоєння організму.
