Лазерная печать гидрогелевых имплантатов может изменить восстановление костей

Многообещающий признак: костеобразующие клетки (фиолетовые) уже заселили гидрогелевую костную структуру и производят коллаген (светло-голубой). Автор: Сяо-Шуа Цинь / ETH Zurich.

Кости, сломанные в результате (лыжной) аварии, часто срастаются без медицинского вмешательства. Однако при особенно серьёзных переломах или необходимости хирургического удаления костной опухоли врачи полагаются на имплантаты для стабилизации области и поддержки роста новой костной ткани.

Современные имплантаты обычно изготавливаются из собственной кости пациента (аутотрансплантаты) или из металлических и керамических материалов. Аутотрансплантаты требуют дополнительной операции по забору костной ткани, что увеличивает время восстановления и хирургические риски. Металлические имплантаты также могут создавать проблемы, поскольку они намного жёстче натуральной кости и со временем могут расшататься, снижая долгосрочную стабильность.

Для лучшего соответствия этой биологической сложности профессор Сяо-Хуа Цинь и его команда вместе с профессором ETH Ральфом Мюллером разработали новый тип гидрогеля, предназначенного для будущих костных имплантатов. Мягкий материал, похожий по текстуре на желе, постепенно растворяется в организме и в перспективе может позволить создавать индивидуальные имплантаты, адаптированные под конкретных пациентов. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Advanced Materials.

Новый гидрогель разработан для имитации ранней фазы заживления. Он состоит на 97% из воды и на 3% из биосовместимого полимера. Чтобы контролировать время и место его затвердевания, исследователи добавили две специализированные молекулы. Одна соединяет полимерные цепи, а другая реагирует на свет, запуская процесс отверждения.

Используя эту технику, команда может точно формировать гидрогель с исключительной детализацией. Лазер может создавать структуры размером до 500 нанометров.

«Гидрогели напоминают желе, что затрудняет их формовку, — говорит профессор ETH Цинь. — С нашей вновь разработанной соединительной молекулой мы теперь можем не только структурировать гидрогель стабильно и с чрезвычайно высокой точностью, но и производить его с высокой скоростью записи до 400 миллиметров в секунду. Это новый мировой рекорд».

В своих экспериментах исследователи создали высокодетализированные гидрогелевые структуры, смоделированные на основе реальной кости. Используя медицинскую визуализацию в качестве ориентира, они воссоздали деликатную решётчатую структуру, известную как трабекулы, которая придаёт кости внутреннюю прочность.

Натуральная кость сама по себе содержит удивительную сеть заполненных жидкостью каналов шириной всего в нанометры. «Кусочек кости размером с игральную кость содержит 74 километра туннелей», — говорит Цинь. Для сравнения, Готардский базисный тоннель, самый длинный железнодорожный тоннель в мире, протянулся на 54 километра.

Пока материал оценивался только в лабораторных экспериментах. В исследованиях in vitro костеобразующие клетки быстро перемещались в структурированный гидрогель и начинали производить коллаген — ключевой строительный блок кости. Исследователи также подтвердили, что материал биосовместим и не вредит этим клеткам. Базовый материал запатентован, и команда намерена сделать его доступным для медицинских производителей.

Конечная цель — внедрить гидрогелевые имплантаты в клиническую практику для восстановления сломанных костей. Требуются дополнительные исследования. Цинь готовит исследования на животных в партнёрстве с Исследовательским институтом AO в Давосе. Эти тесты позволят выяснить, поддерживает ли материал движение костеобразующих клеток внутри живых организмов и может ли он со временем восстанавливать прочность кости.