3D-printimine viib luumurdude regenereerimiseni, mis muudab regeneratiivse meditsiini pöörde

Viimastel aastakümnetel on arstiteadus teinud märkimisväärseid edusamme, pakkudes uuenduslikke lahendusi varem raskete haiguste jaoks. Avaldatud uuring näitas, et 3D-printimise meetod luukoe taastamiseks võib regeneratiivses meditsiinis revolutsiooni teha.

Regeneratiivne meditsiin on arstiteaduse haru, mis arendab ravimeetodeid haiguste, defektide või vigastuste tõttu kahjustatud kudede, elundite ja rakkude asendamiseks. Tegemist on täiesti uue arstiteaduse valdkonnaga, millest loodetakse aidata patsiente, kellel on varem raskesti ravitavad haigused ja vigastused.

Nanostruktureeritud bioaktiivsed materjalid on selles valdkonnas tähelepanu äratanud tänu oma taastumisvõimele. Nad kordavad looduslike kudede omadusi ja jäljendavad nende struktuuri. Neid täiustatud meditsiinilisi materjale saab töödelda ja rakendada 3D-printimise ja muude tehnoloogiate abil.

Luukoe taastamine: oluline meditsiiniline edusamm

Vananemine võib põhjustada progresseeruvaid terviseprobleeme. Sellised haigused nagu osteoporoos tekivad patsientide vananedes, põhjustades inimestele valu ja suurendades arstiabi koormust. Traditsioonilised ravimeetodid hõlmavad luusiirdamist. Lisaks ei saa teised meetodid jäljendada looduslike kudede omadusi ja struktuuri. Sel põhjusel on välja töötatud mitu uut uurimisvaldkonda, sealhulgas luukoetehnoloogia.

Luukoetehnoloogia valdkond hõlmab biomimeetiliste seadmete väljatöötamist, mis toetavad luu kasvu ja indutseerivad regeneratsiooni. Täiustatud bioaktiivsed materjalid on 3D-prinditud funktsionaalsetesse karkasstesse, mida kasutatakse luukoe inseneritehnoloogias.

Need interakteeruvad sihtkudedega ja kutsuvad esile terapeutilise vastuse. Komposiitmaterjal põhineb 1. tüüpi kollageenil ja hüdroksüapatiidil (mida kasutatakse sageli ka hambaravis), kuna need on luukoe põhikomponendid.

Komposiitbiomimeetiline materjal tekitab osteopaatilise vastuse, mis kutsub esile kasvu, vohamise ja isegi diferentseerumise. See viib luukoe taastumiseni. Materjali valmistamisel luukoetehnoloogia valdkonnas tavaliselt kasutatav 3D-printimise tehnoloogia on ekstrusioonvormimine. Selle põhjuseks on selle mitmekülgsus ja mastaapsus. Siiski on luu regenereerimiseks mõeldud tugevate ja vastupidavate biooniliste materjalide valmistamisel endiselt mitmeid olulisi väljakutseid.

GEN-Coll/nanoHA (B) ja GEN-Coll/MBG_Sr4% (C) viskoossuse (A) ja viskoelastsete omaduste muutused temperatuuril 10 °C

1. tüüpi veise kollageen on paljulubav materjal kahjustatud või haige luukoe taastamiseks. Need bioaktiivsed materjalid sisaldavad funktsionaalselt rikkalikke nanoosakesi ja neid saab tugivanni abil hõlpsasti 3D-printida. Siiski on nende kasutamisel mõningaid probleeme. Neid on pärast trükkimist raske täielikult eemaldada ja stendi struktuurilise terviklikkuse parandamiseks kasutatav ristsidumine põhjustab geomeetrilise selguse kaotuse ja trükitud struktuuri osalise kokkuvarisemise.

Nende biomaterjalide piirangute ületamiseks on vaja alternatiivseid protsesse.

Nüüd on uurimisrühm pakkunud välja meetodi veise kollageenil põhinevate tugevamate ja sobivamate bioaktiivsete materjalide valmistamiseks, mis aitab muuta inimese luukoe regenereerimise tehnoloogia.

Artiklis kirjeldatud protsessi eesmärk on parandada veiste kollageeni moodustumise omadusi. Trükipreparaadile lisatakse ristsiduv aine ja seejärel eemaldatakse need tugivannist. Ristsiduvaks aineks on valitud genipiin, mis parandab kollageeni 3D-prinditud karkassi struktuuri stabiilsust, käivitades in situ ristsidumise.

Tugivanniks kasutatav lahus on algiinhape. Uuringutega on leitud, et algiinhape säilitab kollageenmaterjali 3D-prinditud struktuuri ja on 37 o C juures kergesti eemaldatav, mis võimaldab kõrge resolutsiooniga geomeetriliste struktuuridega struktuure stabiilselt töödelda. Meetod töötati välja eelnevalt kehtestatud protokolli abil.

Pärast 3-tunnist ja 24-tunnist inkubeerimist 37°C juures tehke GEN-Col/nanoHA-ga amplituudiskaneerimise test (A, C) ja temperatuuri ramp (B, D).

Materjali prinditavuse hindamiseks valige kärgstruktuuri ja ruudustiku geomeetria. Erinevate parameetritega viidi läbi mitu katset, et tagada hea kontrolli tase ja anda ülevaade tulemustest. Muutuse aluseks on iga parameetri mõju trükkimise täpsusele ja lõpliku karkassi struktuuri eraldusvõimele.

Uuringus jõuti järeldusele, et soovitud tulemuste saavutamiseks tuleb neid parameetreid täpselt reguleerida, kuna need on omavahel põimunud.

Trükiklambri visuaalne analüüs kinnitas, et trükiprotsess realiseeris edukalt geomeetrilise reprodutseerimise. Tekivad selged jooned ja augud. Pärast lüofiliseerimist analüüsiti morfoloogiat FE-SEM-iga, mis näitas, et nanoosakesed jaotati maatriksis edukalt.

Need tulemused näitavad, et selle protsessi kasutamine kollageenmaterjalide 3D-printimiseks näitab häid tulemusi luukoe regenereerimisel.