Напечатанный с помощью лазерной техники гидрогель-имплант может преобразить восстановление костей
Аутотрансплантаты требуют дополнительной операции по сбору костной ткани, что увеличивает время восстановления и увеличивает риск хирургического вмешательства. Металлические импланты также могут создавать проблемы, поскольку они гораздо жёстче натуральной кости и со временем могут ослабевать, снижая долгосрочную стабильность.
Кость гораздо сложнее, чем кажется. Она содержит бесчисленные микроскопические туннели и пустые пространства, необходимые для прочности и функционирования. «Для правильного заживления крайне важно, чтобы биология кости была включена в процесс восстановления», — говорит Сяо-Хуа Цинь, профессор биоматериаловедения в ETH Цюрихе. Чтобы лучше соответствовать этой биологической сложности, Цинь и его команда вместе с профессором ETH Ральфом Мюллером разработали новый тип гидрогеля, предназначенный для будущих костных имплантов.
Мягкий материал, похожий по текстуре на желе, постепенно растворяется внутри организма и в конечном итоге может позволить создавать индивидуальные имплантаты, адаптированные под каждого пациента. Их результаты недавно были опубликованы в журнале «Advanced Materials».
Когда кость впервые ломается, тело не сразу создаёт твёрдую ткань. Вместо этого он образует мягкую, проницаемую структуру. В первые дни после травмы в месте перелома появляется гематома или синяк. Этот временный каркас позволяет иммунным и восстанавливаемым клеткам проникать внутрь, доставляя питательные вещества. Сеть фибрина удерживает эти клетки вместе. Со временем эта гибкая конструкция постепенно превращается в твёрдую кость.
Недавно разработанный гидрогель предназначен для имитации этой ранней фазы заживления. Он состоит из 97 процентов воды и 3 процентов биосовместимого полимера. Чтобы контролировать время и место затвердевания, исследователи добавили две специализированные молекулы. Одна соединяет полимерные цепи, а другая реагирует при воздействии света, запуская процесс затвердевания.
С помощью лазерной техники команда может точно формировать гидрогель с исключительной детализацией. Лазер может создавать структуры размером до 500 нанометров.
«Гидрогели напоминают желе, из-за чего их трудно формировать», — говорит профессор ETH Цинь. «С нашей недавно разработанной соединяющей молекулой мы можем не только структурировать гидрогель стабильно и очень тонко, но и создавать его на высокой скорости записи до 400 миллиметров в секунду. Это новый мировой рекорд».
В своих экспериментах исследователи создали высокодетализированные гидрогелевые структуры, смоделированные на реальных костях. Используя медицинскую визуализацию как ориентир, они воссоздали тонкую решётку, известную как трабекулы, которая придаёт кости внутреннюю прочность.
Сама натуральная кость содержит удивительную сеть каналов, заполненных жидкостью. «Кусок кости размером с кубик содержит 74 километра туннелей», — говорит Цинь. Для сравнения: базовый тоннель Готтард, самый длинный железнодорожный тоннель в мире, простирается на 54 километра.
До сих пор материал оценивался только в лабораторных экспериментах. В пробирках костнообразующие клетки быстро проникли в структурированный гидрогель и начинали вырабатывать коллаген — ключевой строительный белок костей. Исследователи также подтвердили, что материал биосовместим и не наносит вреда этим клеткам. Базовый материал уже запатентован, и команда намерена сделать его доступным для медицинских производителей. Конечная цель — внедрить имплантаты на основе гидрогеля в клиническую практику для восстановления переломов.
Дополнительные исследования всё ещё требуются. Цинь готовит исследования на животных в партнёрстве с Исследовательским институтом AO в Давосе. Эти тесты будут изучать, поддерживает ли материал движение клеток, формирующих кости внутри живых организмов, и может ли он со временем восстанавливать прочность кости.