Istraživači sa Tampere Univerziteta razvili su 3D-štampane keramičke skafolde od hidroksiapatita koji verno imitiraju strukturu trabekularne kosti. Najbolji rezultati postignuti su za dizajn HAp2 sa porama oko 400 µm i poroznošću ~45%, pri optimalnoj sinter-temperaturi od 1000 °C. Modifikacije tragovima elemenata i previsoke temperature promenile su površinsku hemiju i smanjile prianjanje ćelija. Tehnologija obećava personalizovane implantate koji bi mogli smanjiti potrebu za presađivanjem kosti ako budu uspešna klinička ispitivanja.
3D-Štampani Keramički Implantati Koji Oponašaju Pravu Kost — Personalizovana Rešanja Iz Tamperea
Finnish researchers developed personalized 3D-printed ceramic bone implants that imitate natural bone and support healing. (CREDIT: Jonne Renvall, Tampere University)
Milioni ljudi širom sveta prolaze kroz bolne zahvate kako bi nadomestili oštećeno ili izgubljeno koštano tkivo. Istraživači sa Tampere Univerziteta u Finskoj razvili su 3D-štampane keramičke skafolde od hidroksiapatita koji ciljaju da verodostojno imitiraju unutrašnju, trabekularnu strukturu ljudske kosti i podrže prirodnu regeneraciju.
A graphical abstract of the study. (CREDIT: Materials Today Bio)
Kako su napravljeni skafoldi
Tim je upotrebio metodu keramičke vat fotopolimerizacije (ceramic vat photopolymerization) — fotoosetljiva smola pomешana sa keramičkim česticama očvršćava pod laserskim svetlom, sloj po sloj. Svaki sloj je tanak oko 25 µm, a posle štampe sledi sinterovanje na visokim temperaturama kako bi se materijal učvrstio.
Debinding and sintering schedule of the heat treatment process employed to obtain the final sintered porous structures according to our previous study. (CREDIT: Materials Today Bio)
Ključni nalazi
Ispitivanja su pokazala da je arhitektura sa porama prosečno oko 400 µm i poroznošću blizu 45% (dizajn nazvan HAp2) najbolji kompromis između mehaničke čvrstoće i biološke performanse. HAp2 je podržao snažnu formaciju kolagenske mreže i veću proizvodnju osteokalcina — proteina povezanog sa zrelom formacijom kosti — i imao je prihvatljivu pritisnu čvrstoću u donjem opsegu prirodne trabelularne kosti.
Osteoclast attachment (n = 3, error bars represent SD) on the HAp discs sintered at indicated temperatures observed by SEM. (CREDIT: Materials Today Bio)
Tim je testirao sinterovanje pri temperaturama od 900 °C do 1300 °C. Iako više temperature povećavaju mehaničku čvrstoću, one su nepovoljno menjale površinska svojstva skafolda: pri 1300 °C ćelije se nisu uspešno vezivale. Kao kompromis, istraživači su izabrali 1000 °C kao optimalnu temperaturu obrade.
Morphological analysis (n = 1, error bars represent SD) of four different scaffolds (HAp1, HAp2, HAp3, and HAp4) from top, side, and cross-sectional views observed by digital camera, along with porosity evaluation values determined by micro-CT. (CREDIT: Materials Today Bio)
Ispitivane su i modifikacije sa tragovima elemenata (magnezijum, cink, stroncijum). Međutim, visoke temperature dovele su do delimične transformacije hidroksiapatita u β-trikalcijum-fosfat (β-TCP), promenile površinski naboj i povećale hidrofobnost, što je umanjilo prijanjanje i rast ćelija.
Zašto su ovi rezultati važni
„Korišćenjem istog materijala koji koristi priroda i oblikovanjem putem keramičke 3D-štampe, implantati se mogu precizno prilagoditi individualnom defektu kosti bez oslanjanja na lekove ili faktore rasta,“ izjavila je Antonia Ressler, postdoktorska istraživačica.
Prednost ove tehnologije je u računarski vođenoj prilagodljivosti: implantati mogu biti dizajnirani po meri pacijenta, smanjujući potrebu za uzimanjem kostiju iz tela pacijenta ili od donora, skraćujući vreme oporavka i smanjujući hirurške komplikacije.
Naredni koraci i perspektiva
Ovo istraživanje je deo projekta AffordBoneS (Horizon Europe Marie Skłodowska-Curie) i vodi ka sledećem projektu GlassBoneS, čiji je cilj razvoj pristupačnijih skafolda za kliničku primenu. Autori predviđaju da bi, uz uspeh kliničkih ispitivanja, personalizovani 3D-štampani keramički implantati mogli postati dostupni u narednoj deceniji.
Rezultati su objavljeni u časopisu Materials Today Bio, a nalazima se dobija smernica za dizajn budućih biomaterijala: pore ~400 µm i poroznost ~45% predstavljaju efikasan balans između strukturalne podrške i biofunkcionalnosti.
Napomena: Iako obećavajući, ovi rezultati potiču iz laboratorijskih ispitivanja i pre kliničke primene potrebna su dalja ispitivanja bezbednosti i efikasnosti na životinjama i ljudima.
Pomozite nam da budemo bolji.
