Kunstige ben: Den siste i 3-D-utskrift

Forskere har noen interessante nyheter om fremskritt i menneskelige "reservedeler. "

Snart kan det være mulig å erstatte skadede menneskelige bein med syntetiske, tilpassede bein opprettet på en 3-D-skriver.

AdvertisementAdvertisement

Dette "hyperelastiske" beinet vil bli produsert med en "blekk" laget av et naturlig kalsium funnet i humant bein.

I et betydelig fremskritt over nåværende metoder, sier forskere at de spesialutskrevne beinene raskt kunne forårsake beinregenerasjon og vekst.

Det kan gjøre medisinske prosedyrer mer effektive, mindre smertefulle og langvarige.

Annonse

Programmer kan inkludere reparasjon av kraniofacial, dental, spinal og andre bein- og idrettsmedisinskader.

Forskere ved Northwestern University publiserte sine funn i forrige måned i journalen Science Translational Medicine.

AdvertisementAdvertisement

Les mer: Tannleger vil snart skrive ut 3-D antibakterielle tenner »

Hjelpe barn

Ramille Shah, Ph.D., som ledet forskergruppen, er assisterende professor i materialvitenskap og ingeniørarbeid ved Northwestern's McCormick School of Engineering, og en assisterende professor i kirurgi på Northwestern's Feinberg School of Medicine.

Shah beskriver hyperelastisk ben som "en svært allsidig, vekstfaktorfri, osteoregenerativ, skalerbar og kirurgisk vennlig biomateriale. “

Forskerne opprettet hyperelastisk bein for å utføre en spinalfusion i en rotte og å reparere en skallefeil i en rhesusaben. Dyreforsøkene vil fortsette.

Shah og hennes team mener at menneskelige forsøk på deres syntetiske bein kunne begynne innen fem år. Shah, som leder Shah Tissue Engineering og Additive Manufacturing Lab i Northwestern, sa i et Healthline-intervju at målet med hennes team av forskere og klinikere var "å utvikle et 3-D utskrivbart biomateriale for beinvev regenerering hos barn. "

Barn som lider av beindefekter fra traumer eller fødsler kan ha stor nytte av denne teknologien.

"De aktuelle materialene kirurger bruker for kraniofacialdefekter er metallplater og skruer, og polymerer, men ikke nedbrytbare, for ansiktsarbeid," sa Shah. "Den primære måten nå er å ta stykker av bein fra pasientens ribber eller hofter og gjør en" auto-graft "- form brikkene for å passe til feilplassen de ønsker å omforme. Men denne metoden kan forårsake problemer andre steder i kroppen. Auto-grafter brukes spesielt med barn, fordi du ikke vil bruke "fremmedlegemer" hos barn. "

Annonse

Bone implantasjon kirurgi er smertefull og komplisert for barn, sa hun. Bonehøsting for en auto-graft kan føre til andre komplikasjoner og smerter.Metalliske implantater brukes noen ganger, men dette er ikke en permanent løsning for voksende barn.

"Voksne har flere alternativer når det gjelder implantater," sa Shah. "Pediatriske pasienter gjør det ikke. Hvis du gir dem et permanent implantat, må du gjøre flere operasjoner i fremtiden når de vokser. De kan møte mange år med vanskeligheter. «

AnnonseAdvertise

Les mer: 3-D-legemidler: Apoteket ditt vil nå skrive ut reseptet»

De rette ingrediensene

Naturlig benkomponent er kritisk for suksess.

Hovedkomponenten av Shahs biomateriale er hydroxyapatitt, et fosfat av kalsium som er det viktigste strukturelle elementet (90 vektprosent) av naturlig vertebratbein.

Annonse

Shah og hennes kolleger blander 90 prosent hydroksyapatitt med 10 prosent biokompatibel, biologisk nedbrytbar medisinsk polymer i et løsningsmiddel som gjør tekstur mer som en væske enn et fast stoff.

"Konsistensen er som Elmer lim," sa Shah.

AnnonseAdvertisement

Blandingen kalles "blekk" fordi den brukes i en 3-D-skriver.

Når blandingen er ekstrudert, fordampes hovedoppløsningsmidlet umiddelbart og størkner materialet. Materialets struktur er porøs og kan brukes ved romtemperatur.

"Høy porøsitet er kritisk fordi celler og blodårer må infiltrere det strukturelle stillaset for å forbedre vevsintegrasjonen," forklarer Shah.

I tillegg skaper den høye konsentrasjonen av hydroksyapatitt et miljø som fremkaller rask benregenerering.

"Den [hyperelastiske ben] er konstruert for å nedbrytes og omformes til naturlig bein, og kan derfor vokse med pasienten," sa Shah. "Dette eliminerer behovet for fremtidige operasjoner, som gjøres med metallplater eller implantater. "

Les mer: Forskere oppdager måten å skrive ut menneskelig vev»

Et allsidig produkt

Hyperelastisk ben er allsidig og kan skrives ut i varierende styrker.

Det inkluderer svært elastiske ben, de som tåler betydelige belastninger, så vel som de som er mer hule eller tette. Disse mekaniske egenskapene bestemmes av arkitekturen til det 3-D-trykte objektet, sa Shah.

Syntetisk ben kan tilpasses for hver pasient.

Mangfoldet av applikasjoner inkluderer reparasjoner for ryggradsbrudd, idrettsmedisinskader, og ACL- og rotator mansjettskader som krever myk-vev-til-ben-helbredelse, sa Shah.

I kraniofacial og tannbehandling, og for ansiktsdeformiteter, kan erstatningsbenet skrives ut "for å passe perfekt til pasientens symmetri og anatomi, spesielt i tilfeller der det er en estetisk komponent som er viktig for pasientens utfall," sa hun.

"Materialet er også svært elastisk, og kirurger kan manipulere det," sa Shah. "Materialene som er tilgjengelige nå er svært fleksible, og ikke vanskelig å kutte og forme. Når kirurger hørte om dette, var de veldig spent. «

Les mer: Bor med en kunstig bukspyttkjertel maskin»

Viktig i hode, ansiktsoperasjoner

Egenskapene til hyperelastisk bein er spesielt avgjørende for å reparere bein i hode og ansikt.

"I kraniofaciale defekter kan vi lage et objekt som retter eller dekker feilen, slik at vi kan opprettholde ansiktssymmetri," sa Shah. 'Vi kan skrive ut noe som er pasientspesifikt. Materialet vil gå gjennom stillaset. Dette er viktig, fordi hvis du ikke har blodkar i defekten, kan du få vevnekrose [vevdød]. På stillaset vil celler sette inn nytt beinmateriale. Med permanente implantater må du erstatte dem over tid. Dette nye materialet vokser med pasienten og er ikke-invasiv. "

Antibiotika kan legges til for å kontrollere infeksjon.

Forskerne utfører 3-D-utskriftsprosessen ved romtemperatur, noe som gjør at de kan legge til andre elementer, for eksempel antibiotika, til blekk.

"Vi kan inkludere antibiotika for å redusere muligheten for infeksjon etter operasjon," sa Shah. "Vi kan også kombinere blekk med ulike typer vekstfaktorer, om nødvendig, for ytterligere å forbedre regenerering. Det er egentlig et multifunksjonsmateriale. "

Les mer: Er det mulig med hodetransplantasjoner … og etisk? »

Personlig erstatning

Kirurger som bruker Shahs syntetiske beinmateriale, kunne skanne pasientens kropp og lage personlig erstatningsben på en 3-D-skriver.

Biomaterialets fleksible mekaniske egenskaper tillater leger enkelt å kutte og forme det til størrelse under en kirurgisk prosedyre. Ikke bare er dette raskere, sa Shah, men også mindre smertefullt sammenlignet med bruk av auto-graft materiale.

Da hun begynte sin forskning i 2009, mottok Shah fakultet oppstartsfinansiering og har hatt løpende støtte fra National Institutes of Health (NIH).

Hun håper å skaffe statsfinansiering og bedriftsfinansiering, og nylig grunnlagt en oppstartsvirksomhet på Northwestern for å undersøke søknader om sitt arbeid.

Shah ser frem til en dag da "turnaroundtiden for et implantat som er spesialisert for en kunde, kan være innen 24 timer. Det kan forandre verden av kraniofacial og ortopedisk kirurgi, og jeg håper, vil forbedre pasientens utfall. “