По словам ученых Джона Хопкинса, ежегодно в результате врожденных дефектов, травм или хирургических вмешательств примерно 200000 человек нуждаются в замене костей головы или лица. Исторически сложилось так, что для наилучшего лечения хирургам требовалось удалить часть малоберцовой кости пациента (кость ноги, которая не несет большого веса), вырезать ее для придания необходимой общей формы и имплантировать в нужном месте. Но, по словам Уоррена Грейсона, доктора философии.D., доцент кафедры биомедицинской инженерии Медицинской школы Университета Джона Хопкинса и старший автор отчета, процедура не только создает травму ноги, но и не оправдывает ожиданий, потому что относительно прямая малоберцовая кость не может хорошо соответствовать тонким изгибам лица.
Это привело исследователей к трехмерной печати или так называемому аддитивному производству, при котором трехмерные объекты создаются из цифрового компьютерного файла путем наложения последовательных ультратонких слоев материалов.
Этот процесс отлично подходит для создания чрезвычайно точных структур — в том числе анатомически точных — из пластика, но «клеткам, помещенным на пластиковые каркасы, нужны некоторые обучающие подсказки, чтобы стать костными клетками», — говорит Грейсон. "Идеальный каркас — это еще один кусок кости, но естественные кости обычно не могут быть изменены очень точно."
В своих экспериментах Грейсон и его команда намеревались создать композитный материал, который сочетал бы прочность и пригодность для печати пластика с биологической «информацией», содержащейся в натуральной кости.
Они начали с поликапролактона, или PCL, биоразлагаемого полиэстера, используемого в производстве полиуретана, который был одобрен FDA для других клинических применений. «PCL плавится при температуре от 80 до 100 градусов по Цельсию (от 176 до 212 по Фаренгейту) — намного ниже, чем большинство пластмасс, поэтому его хорошо смешивать с биологическими материалами, которые могут быть повреждены при более высоких температурах», — говорит Итан Ниберг, выпускник студент в команде Грейсона.
PCL также довольно силен, но команда знала из предыдущих исследований, что он плохо поддерживает формирование новой кости.
Поэтому они смешали его с увеличивающимся количеством «костного порошка», полученного путем измельчения пористой кости внутри колен коровы после удаления из нее клеток.
«Костный порошок содержит структурные белки, присущие организму, а также факторы роста костей, которые помогают незрелым стволовым клеткам превращаться в костные клетки», — говорит Грейсон. "Это также добавляет шероховатости к PCL, что помогает клеткам захватывать и усиливает сообщение о факторах роста."
Грейсон говорит, что первым испытанием композитных материалов была пригодность для печати.
Пять, 30 и 70 процентов смесей костного порошка показали хорошие результаты, но 85 процентов костного порошка содержали слишком мало PCL «клея», чтобы поддерживать четкую форму решетки, и его исключили из будущих экспериментов. «Это было похоже на печенье с шоколадной крошкой, в котором слишком много шоколадной крошки», — говорит Ниберг.
Чтобы выяснить, способствуют ли скаффолды формированию костей, исследователи добавили стволовые клетки человеческого жира, полученные во время процедуры липосакции, к каркасам, погруженным в питательный бульон, в котором отсутствуют прокостные ингредиенты.
Через три недели клетки, выращенные на 70-процентных каркасах из костного порошка, показали активность гена в сотни раз выше в трех генах, указывающих на формирование кости, по сравнению с клетками, выращенными на чистых каркасах PCL. Клетки на 30% каркасов из костного порошка показали значительное, но менее впечатляющее увеличение тех же генов.
После того, как ученые добавили ключевой ингредиент бета-глицерофосфат в клеточный бульон, чтобы их ферменты откладывали кальций, основной минерал в кости, клетки на 30-процентных каркасах производили примерно на 30 процентов больше кальция на клетку, а те, что на 70-процентных каркасах. продуцирует более чем в два раза больше кальция на клетку по сравнению с таковыми на каркасах из чистого PCL.
Наконец, команда проверила свои каркасы на мышах с относительно большими отверстиями в костях черепа, сделанными экспериментально. Без вмешательства костные раны были слишком большими, чтобы зажить. У мышей, которым были имплантаты каркаса, нагруженные стволовыми клетками, в течение 12 недель эксперимента наблюдался рост новой кости внутри лунки.
А компьютерная томография показала, что на каркасах, содержащих от 30 до 70 процентов костного порошка, выросло как минимум на 50 процентов больше кости, чем при использовании чистого PCL.
«В экспериментах с бульоном 70-процентный каркас способствовал формированию кости намного лучше, чем 30-процентный каркас, — говорит Грейсон, — но 30-процентный каркас сильнее.
Поскольку не было разницы между двумя каркасами в лечении черепов мышей, мы продолжаем исследования, чтобы выяснить, какая смесь в целом лучше всего."
Хотя использование "децеллюляризованной" коровьей кости было одобрено FDA для клинического использования, в будущих исследованиях, по словам исследователей, они надеются протестировать костный порошок, сделанный из человеческой кости, поскольку он более широко используется в клинических условиях.
Они также хотят поэкспериментировать с дизайном интерьера лесов, чтобы сделать его менее геометрическим и более естественным. И они планируют испытать добавки, которые стимулируют проникновение новых кровеносных сосудов в каркас, что необходимо для выживания более толстых костных имплантатов.