Wissenschaftler sagen, sie haben eine Methode entwickelt, um hyperelastische Knochen für verschiedene Arten von Operationen auszudrucken.
Wissenschaftler haben einige interessante Neuigkeiten über Fortschritte bei menschlichen „Ersatzteilen“.
Bald ist es möglicherweise möglich, beschädigte menschliche Knochen durch synthetische, kundenspezifische Knochen zu ersetzen, die auf einem 3D-Drucker erstellt wurden.
Dieser „hyperelastische“ Knochen wird mit einer „Tinte“ hergestellt, die aus einem natürlichen Kalzium im menschlichen Knochen hergestellt wird.
In einem deutlichen Fortschritt gegenüber den derzeitigen Methoden sagen Wissenschaftler, dass die individuell bedruckten Knochen die Knochenregeneration und das Knochenwachstum schnell induzieren könnten.
Dies könnte medizinische Verfahren effektiver, weniger schmerzhaft und länger anhaltend machen.
Anwendungen können die Reparatur von kraniofazialen, zahnärztlichen, spinalen und anderen Knochen- und Sportmedizinverletzungen umfassen.
Wissenschaftler der Northwestern University haben ihre veröffentlicht Befunde letzter Monat in der Zeitschrift Science Translational Medicine.
Lesen Sie mehr: Zahnärzte werden in Kürze antibakterielle 3D-Zähne drucken »
Ramille Shah, Ph.D., der das Forschungsteam leitete, ist Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der McCormick School of Engineering im Nordwesten und Assistenzprofessor für Chirurgie an der Feinberg School of Medicine im Nordwesten.
Shah beschreibt hyperelastischen Knochen als „ein äußerst vielseitiges, wachstumsfaktorfreies, osteoregeneratives, skalierbares und chirurgisch freundliches Biomaterial“.
Die Wissenschaftler haben hyperelastischen Knochen geschaffen, um eine Wirbelsäulenfusion bei einer Ratte durchzuführen und einen Schädeldefekt bei einem Rhesusaffen zu reparieren. Die Tierversuche werden fortgesetzt.
Shah und ihr Team glauben, dass Versuche an Menschen mit ihrem synthetischen Knochen innerhalb von fünf Jahren beginnen könnten.
Shah, Leiterin des Shah Tissue Engineering and Additive Manufacturing Lab im Nordwesten, sagte in einem GesundLinie-Interview, dass das Ziel ihres Teams aus Wissenschaftlern und Klinikern darin bestehe, „ein 3-D-druckbares Biomaterial für die Regeneration von Knochengewebe bei Kindern zu entwickeln“.
Pädiatrische Patienten, die an Knochendefekten aufgrund eines Traumas oder einer Geburt leiden, könnten von dieser Technologie erheblich profitieren.
„Die derzeitigen Materialien, die Chirurgen für kraniofaziale Defekte verwenden, sind Metallplatten und -schrauben sowie Polymere, jedoch keine abbaubaren, für die Gesichtsbehandlung“, sagte Shah. „Der primäre Weg besteht jetzt darin, Knochenstücke aus den Rippen oder Hüften des Patienten zu entnehmen undFühren Sie eine "Autotransplantation" durch - formen Sie die Teile so, dass sie in den Defektraum passen, den sie umformen möchten. Diese Methode kann jedoch an anderer Stelle im Körper zu Problemen führen. Autotransplantationen werden insbesondere bei Kindern verwendet, da Sie keine Fremdkörper verwenden möchtenKörper bei pädiatrischen Patienten. ”
Knochenimplantationsoperationen sind für Kinder schmerzhaft und kompliziert, sagte sie. Die Knochenentnahme für ein Autotransplantat kann zu anderen Komplikationen und Schmerzen führen. Manchmal werden metallische Implantate verwendet, dies ist jedoch keine dauerhafte Lösung für wachsende Kinder.
„Erwachsene haben mehr Möglichkeiten, wenn es um Implantate geht“, sagte Shah. „Pädiatrische Patienten tun dies nicht. Wenn Sie ihnen ein dauerhaftes Implantat geben, müssen Sie in Zukunft mehr Operationen durchführen, wenn sie wachsen. Sie könnten jahrelange Schwierigkeiten haben. ”
Lesen Sie mehr: 3-D-Medikamente: Ihre Apotheke druckt jetzt Ihr Rezept aus »
Natürliche Knochenkomponente ist entscheidend für den Erfolg.
Der Hauptbestandteil von Shahs Biomaterial ist Hydroxylapatit, ein Kalziumphosphat, das das Hauptstrukturelement 90 Gewichtsprozent des natürlichen Wirbeltierknochens ist.
Shah und ihre Kollegen mischen 90 Prozent Hydroxylapatit mit 10 Prozent biokompatiblem, biologisch abbaubarem medizinischem Polymer in einem Lösungsmittel, das die Textur eher einer Flüssigkeit als einem Feststoff ähnelt.
"Die Konsistenz ist wie Elmers Kleber", sagte Shah.
Die Mischung wird als „Tinte“ bezeichnet, da sie in einem 3D-Drucker verwendet wird.
Sobald die Mischung extrudiert ist, verdampft das Hauptlösungsmittel sofort und verfestigt das Material. Die Struktur des Materials ist porös und kann bei Raumtemperatur verwendet werden.
„Eine hohe Porosität ist entscheidend, da Zellen und Blutgefäße das strukturelle Gerüst infiltrieren müssen, um die Gewebeintegration zu verbessern“, erklärte Shah.
Darüber hinaus schafft die hohe Konzentration an Hydroxylapatit eine Umgebung, die eine schnelle Knochenregeneration induziert.
„Der [hyperelastische Knochen] ist so konzipiert, dass er sich abbaut und in natürlichen Knochen umwandelt und daher mit dem Patienten mitwachsen kann“, sagte Shah. „Dadurch sind künftige Operationen nicht mehr erforderlich, wie dies bei Metallplatten oder Implantaten der Fall ist.“
Lesen Sie mehr: Forscher entdecken Weg, um menschliches Gewebe auszudrucken »
Hyperelastischer Knochen ist vielseitig und kann in verschiedenen Stärken gedruckt werden.
Dazu gehören hochelastische Knochen, die erheblichen Belastungen standhalten können, sowie solche, die hohl oder dichter sind. Diese mechanischen Eigenschaften werden von der Architektur des 3D-Druckobjekts bestimmt, sagte Shah.
Synthetischer Knochen kann für jeden Patienten individuell angepasst werden.
Die Vielzahl der Anwendungen umfasst Reparaturen bei Wirbelsäulenfrakturen, sportmedizinischen Verletzungen sowie Verletzungen der ACL und der Rotatorenmanschette, die eine Heilung von Weichgewebe bis Knochen erfordern, sagte Shah.
Bei kraniofazialen und zahnärztlichen Anwendungen sowie bei Gesichtsdeformitäten kann der Ersatzknochen gedruckt werden, „um perfekt zur Symmetrie und Anatomie des Patienten zu passen, insbesondere in Fällen, in denen eine ästhetische Komponente für das Patientenergebnis wichtig ist“, sagte sie.
„Das Material ist auch sehr elastisch und Chirurgen können es manipulieren“, sagte Shah. „Die jetzt verfügbaren Materialien sind sehr flexibel und nicht schwer zu schneiden und zu formen. Als Chirurgen davon hörten, waren sie sehr aufgeregt.“
Lesen Sie mehr: Leben mit einer künstlichen Bauchspeicheldrüsenmaschine »
Die Eigenschaften von hyperelastischem Knochen sind besonders wichtig für die Reparatur von Knochen im Kopf und im Gesicht.
„Bei kraniofazialen Defekten können wir ein Objekt erstellen, das den Defekt behebt oder abdeckt, sodass wir die Gesichtssymmetrie beibehalten können“, sagte Shah. „Wir können etwas drucken, das patientenspezifisch ist. Das Material wird durch das Gerüst geleitetist wichtig, denn wenn Sie keine Blutgefäße innerhalb des Defekts haben, können Sie eine Gewebenekrose [Gewebetod] haben. Im Gerüst lagern Zellen neues Knochenmaterial ab. Bei permanenten Implantaten müssen Sie diese im Laufe der Zeit ersetzenneues Material wächst mit dem Patienten und ist nicht invasiv. “
Antibiotika könnten hinzugefügt werden, um die Infektion zu kontrollieren.
Die Forscher führen den 3D-Druckprozess bei Raumtemperatur durch, wodurch sie der Tinte weitere Elemente wie Antibiotika hinzufügen können.
„Wir können Antibiotika einbauen, um die Möglichkeit einer Infektion nach der Operation zu verringern“, sagte Shah. „Bei Bedarf können wir die Tinte auch mit verschiedenen Arten von Wachstumsfaktoren kombinieren, um die Regeneration weiter zu verbessern. Es ist wirklich ein multifunktionales Material.“
Weiterlesen: Sind Kopftransplantationen möglich… und ethisch? »
Chirurgen, die Shahs synthetisches Knochenmaterial verwenden, können den Körper des Patienten scannen und auf einem 3D-Drucker einen personalisierten Ersatzknochen erstellen.
Die flexiblen mechanischen Eigenschaften des Biomaterials ermöglichen es Ärzten, es während eines chirurgischen Eingriffs leicht zu schneiden und zu formen. Dies ist nicht nur schneller, sagte Shah, sondern auch weniger schmerzhaft im Vergleich zur Verwendung von Autotransplantatmaterial.
Als sie 2009 mit ihrer Forschung begann, erhielt Shah eine Anschubfinanzierung für die Fakultät und wurde kontinuierlich von den National Institutes of Health NIH unterstützt.
Sie hofft auf staatliche und Unternehmensfinanzierung und hat kürzlich ein Start-up-Unternehmen in Northwestern gegründet, um Anwendungen für ihre Arbeit zu untersuchen.
Shah freut sich auf einen Tag, an dem „die Bearbeitungszeit für ein Implantat, das auf einen Kunden spezialisiert ist, innerhalb von 24 Stunden liegen könnte. Dies könnte die Welt der kraniofazialen und orthopädischen Chirurgie verändern und hoffentlich die Patientenergebnisse verbessern.“
