Ученые воссоздают кости с помощью технологии 3D печати

Чтобы получить хорошую основу для синтетической кости, способной восполнить утраченную костную ткань в организме, ученые предлагают смешать, по крайней мере, 30% порошковой естественной кости с синтетическим полимерным материалом. Это поможет создать структуру требуемой формы с использованием 3D принтера. Работу проводят исследователи из Университета Джона Хопкинса, которые рассказали о результатах экспериментов в статье, опубликованной на сайте ACS Biomaterials Science & Engineering 18 апреля 2016 года.

Каждый год, как сообщают ученые из этого университета, врожденные пороки развития, травмы либо хирургические вмешательства приводят к тому, что около 200 000 человек нуждаются в замене костей в области лица и головы. Обычно для восстановления утраченной ткани используется часть малоберцовой кости пациента - эта кость ноги большая, прочная и способная выдерживать огромную нагрузку. Из этой кости вырезается фрагмент нужной формы, который потом и имплантируется в нужном месте. Однако такая процедура не только травматична, т.к. связана с повреждением ноги, но и имеет невысокий заместительный потенциал, поскольку относительно прямая малоберцовая кость не может иметь такую форму, чтобы в точности соответствовать изгибам черепа.

Поэтому важно научиться воссоздавать костные структуры с помощью 3-D печати, которые будут иметь трехмерный вид. Производство будет происходить путем последовательного наслаивания ультратонких слоев материала. В результате можно получить очень детализированные структуры, в том числе анатомически точные. Для производства костной ткани может использоваться пластик, а также клетки, которые помещают на пластиковые каркасы, которые в дальнейшем при имплантации в тело могут получить определенные сигналы и стать костными клетками. Конечно, идеальной матрицей был бы кусок человеческой кости, однако кость не может быть реорганизована методом 3D печати с необходимой точностью. В итоге, авторы пришли к выводу, что в своих экспериментах будут использовать композитный материал, сочетающий в себе прочность и пригодность для печати (пластик) и биологическую информацию, имеющуюся в натуральной кости (костный порошок).

Сначала был испытан поликапролактон (PCL) - биоразлагаемый сложный полиэфир, используемый в получении полиуретана, который уже одобрен FDA для применения в клинической практике для других целей.

PCL плавится при температуре от 80 до 100 С, то есть его температура плавления гораздо ниже, чем у большинства пластмасс, что хорошо для применения в данной области. Этот пластик можно смешивать с биологическими материалами, которые не могут быть подвержены воздействию более высоких температур, т.к. это приведет к их повреждению.

PCL достаточно прочен, но ученые знали из предыдущих исследований, что этот материал не поддерживает в достаточной степени формирование новой кости. Поэтому  они смешали PCL c костным порошком, который был получен путем измельчения пористой коровьей кости (коленная область) после удаления из нее клеток.

Костный порошок содержит структурные белки, родственные для тела, и про-костные факторы роста, которые помогают незрелым стволовым клеткам превращаться в костные клетки. Кроме того, этот материал добавляет PCL нужную шероховатость, что помогает захватывать клетки и усиливает работу факторов роста. 

Как показало первое испытание композитных материалов, они были пригодны для печати. Использовались различные пропорции материалов. Так, 5%, 30 и 70% костного порошка в смеси показывали хорошие результаты при печати, тогда как включение 85% костного порошка не позволяло PCL, который выполнял функцию клея, сохранять четкие формы решетки (матрицы), поэтому такая пропорция была исключена из последующих экспериментов. 

Чтобы выяснить, стимулируют ли эти каркасы образование костной ткани, исследователи добавили в них жировые стволовые клетки человека, которые были получены в ходе процедуры липосакции. Затем каркасы были погружены в питательный бульон, в котором не хватало про-костных компонентов.

Через три недели клетки, выращенные на каркасе, состоявшем из 70% костного порошка, показали большую склонность к образованию костной ткани, по сравнению с клетками, выращенными на PCL каркасах без костного порошка. Клетки на каркасе с 30% костного порошка показали большой, но менее впечатляющий рост в одних и тех же генах.

После того, как исследователи добавили в бульон клеток ключевой компонент бета-глицерофосфат, чтобы включить клеточные ферменты для осаждения кальция - первичного минерала кости, клетки на каркасе с 30% содержанием костного порошка производили на 30% больше кальция, тогда как клетки на каркасе с 70% содержанием костного порошка продуцировали в 2 раза больше кальция, чем на материалах PCL без костного порошка. 

Команда проверила каркасы на мышах с относительно большими отверстиями в костях черепа. Без хирургического вмешательства эти дефекты не могли затянуться самостоятельно. Мыши, которым были имплантированы материалы со стволовыми клетками, продемонстрировали новый рост кости в отверстии в течение 12 недель. Как показало КТ, по крайней мере, на 50% больше кости росло именно в каркасах, которые содержали 30% или 70% костного порошка, по сравнению с каркасами PCL без добавления костного порошка. 

В экспериментах, 70% содержание костного порошка в матрице поощряло образование костной ткани намного лучше, чем 30% содержание. Однако 30% каркасы были прочнее. Также не обнаружено разницы между этими двумя видами матриц в процессе заживления черепа у мышей. Авторы планируют в дальнейшем выяснить, какая же смесь в целом лучше. 

Хотя использование бесклеточной коровьей кости было одобрено FDA для клинического применения, в будущих исследованиях ученые хотят испытать порошок, полученный из человеческих костей, т.к. он более широко применяется в клинике. Помимо этого, ученые хотят поэкспериментировать с дизайном каркаса, чтобы сделать его менее «геометрическим» и более естественным. Авторы планируют испытать добавки, стимулирующие рост новых кровеносных сосудов, чтобы те могли проникать в каркасы более массивных костных имплантов и способствовать их лучшей приживаемости в организме.

Автор материала Елена Васильева, врач общей практики специально для Spinet.ru

Также стоит почитать: