Хабрахабр

Милые кости 3D: гиперэластичный костный материал для пластики дефектов черепа

А еще есть идиоматическое выражение, утверждающее, что у всех есть это в шкафу. У нас их примерно 205, суммарно они весят около 5-6 кг и каждые 10 лет полностью обновляются на клеточном уровне. Травмы, связанные с повреждением костей, одни из самых распространенных в мире. Речь, конечно, идет о скелете и о костях, его составляющих. Трансплантация костей сопряжена с рядом опасностей для пациента, в числе которых последующие боли, инфекции, кровотечения, повреждения сопряженных тканей и т.д. Порой такие травмы требуют не лечения кости, а ее замену.

Как ученые печатали кости, что для этого было применено и какие результаты показала операция имплантации на крысе? Некоторые ученые считают, что ключ к успешной костной трансплантологии лежит в применении напечатанных костей, которые будут идеально подходить конкретному пациенту и будут лишены дефектов. Поехали. Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы.

Основа исследования

Методы лечения травм костей практически не изменились с самых древних времен. Ученые даже проанализировали 36 скелетов неандертальцев, на которых были признаки переломов. Из них лишь у 11 лечение этих травм можно назвать неудачным.

Некоторые травмы удалось успешно и без последствий лечить уже при наличии достаточно современного медицинского оборудования, знаний и методик. Однако такая успешность лечения во все времена не касается всех типов переломов.

На данный момент в трансплантологии костей часто применяют аллотрансплантаты или аллопластические материалы.

Аллотрансплантация* — пересадка органа от человека человеку (от особи одного вида особи того же вида).

Данные методы достаточно продвинуты, но не всемогущи. Черепно-челюстно-лицевые дефекты (врожденные, онкологического или травматического происхождения) достаточно сложны. В таких случаях необходимы имплантаты, специфичны конкретному пациенту. Следовательно, их нельзя взять у донора, а необходимо изготовить. В таких случаях применяется краниопластика, однако имплантат не будет обладать регенерацией и не будет расти вместе с другими костями пациента. Также используют губчатое вещество кости, деминерализованную костную матрицу, синтетические костные чипсы или костные замазки, которыми заполняется участок дефекта. Но эти материалы не пористые и обладают ограниченной связанной пористостью. Из-за этого снижается поверхностная клеточная миграция и васкуляризация (образование сосудов) клеток, что может привести к инкапсуляции*, а не к интеграции тканей. В результате чего сильно возрастает риск инфекции.

Инкапсуляция* — образование капсулы вокруг инородного тела в организме.

Исследователи предлагают использовать трехмерную печать, ибо этот метод позволяет сделать недорогой имплантат, который будет идеально подходить под определенный дефект у конкретного пациента.

А это значит что нужно создать свой материал, естественно. Исследователи также отмечают, что в биомедицинской трехмерной печати пока недостает высокоэффективных материалов, которые будут совмещать в себе простоту изготовления, применения в печати и биологическую функциональность.


Гиперэластичная кость

Изготавливается этот остеорегенеративный материал путем экструзии при комнатной температуре гидроксиапатита (твердое вещество, 90% от общей массы) и поли(молочно-гликолевой кислоты) (жидкое вещество, 10% от общей массы) в трехмерные формы без необходимости в спекании*, отверждении* или других формах физико-химической стабилизации.
И имя сего нового материала — «гиперэластичная кость» (гиперэластичный костный материал).

Спекание* — процесс изготовления твердых и пористых материалов из мелкой порошкообразной основы при повышенных температурах и/или высоком давлении.

Отверждение* — необратимый процесс превращения жидких реакционноспособных олигомеров и (или) мономеров в твердые неплавкие и нерастворимые сетчатые полимеры.

Полученный трехмерный напечатанный каркас обладает хорошей эластичностью и высокой абсорбцией. Кроме того, каркас вызывает остеогенную дифференцировку* полученных из костного мозга мезенхимальных стволовых клеток человека без добавления остеоиндуцирующих катализаторов.

Утрировано, трудоустройство клетки, которая ранее не имела точной профессии. Дифференцировка клеток* — процесс формирования специализированного фенотипа клетки, отображающего ее функции.

При этом гиперэластичная кость не вызывала отрицательного иммунного ответа, становилась васкуляризованной и интегрировалась с окружающими тканями, поддерживая рост новой кости. Еще одним достижением является возможность переноса трансдуцированных человеческих жировых стволовых клеток посредством напечатанного имплантата.

Ученые провели сравнительный анализ остеорегенеративной способности гиперэластичной кости и коммерческого варианта (аутологичная кость) при дефектах черепа критических размеров у крыс. Далее мы с вами подробнее ознакомимся с результатами практического испытания. Но сначала немного о подготовке к эксперименту и о том, как именного изготавливался испытуемый материал и имплантат.

Изготовление гиперэластичной кости

Как мы уже знаем, каркас гиперэластичной кости был изготовлен из гидроксиапатита и поли (молочно-гликолевой кислоты).


Принтер BioPlotter

Толщина листов (5х5 см), состоящих из 5 слоев по 120 мкм, составила суммарно 0. Все образцы были напечатаны с помощью принтера BioPlotter Manufacturing от компании EnvisionTEC. Далее из листов были выдавлены круглые (8 мм в диаметре) заготовки с помощью стилета для биопсии. 6 мм. Полученные заготовки были промыты и стерилизованы.


Изображение №1: процесс изготовление имплантатов.

Операция по имплантации

В качестве подопытных выступили лабораторные Спрег-Доули крысы — самцы весом примерно 500 грамм каждый.

Между ламбдовидным и венечным швами был сделан сагиттальный надрез (1,5 см) для обнажения черепа. Во время проведения операции подопытные были под общим наркозом (2% изофлуран / 100% кислород). С помощью ручной дрели с трепаном (игла с фрезой или сверлом для формирования отверстий в плотных тканях) был создан искусственный дефект черепа 8 мм в диаметре.

Подопытные были разделены на 4 группы:

  • 7 особей — отрицательно-контрольная группа (без имплантата на дефекте);
  • 6 особей — положительно-контрольная группа (с аутологичной костью в качестве имплантата);
  • 6 особей — исследуемая группа №1 (с каркасом из поли (молочно-гликолевой кислоты) в качестве имплантата);
  • 10 особей — исследуемая группа №2 (с гиперэластичной костью в качестве имплантата).

Данный спойлер содержит фото подопытных во время операции (слабонервным просьба не смотреть, процесс был описан в текстовом виде ранее).

Подопытные содержались в клетках по двое. После имплантации (или без ее) надкостницу и кожу закрывали с использованием подвижного рассасывающегося шва, а подопытным вводили обезболивающее. Доступ к воде и пище был неограничен.

Интересующие области были вырезаны из кости черепа, помещены в 70% этанол и отсканированы с помощью микро-компьютерного томографа. Образцы черепов анализировались посредством конусно-лучевой компьютерной томографии. 0) ученые более детально исследовали участки черепа, где были внедрены имплантаты. Далее с помощью программного обеспечения для анализа изображений медицинского характера (Mimics Medical 19.

Также была проведена оценка степени регенерации спустя 8 и 12 недель. После проведения микро-компьютерной томографии образцы были разрезаны пополам для гистологического анализа и визуализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии.

А теперь приступим непосредственно к результатам наблюдений.

Результаты исследования


Изображение №3а: серый — с аутологичной костью; черный — без имплантата; синий — с имплантатом из поли (молочно-гликолевой кислоты); красный — с гиперэластичной костью.

Количество регенерированной костной ткани определяли по количеству минерализованной кости как доли от общего объема ткани, представляющего интерес. На изображении выше () представлены трехмерные реконструкции конусно-лучевой и микро-компьютерной томографий. Таким образом проводился сравнительный анализ показателей эффективности работы всех вариантов имплантата. Объем кости на долю общего объема для гиперэластичной кости, поли (молочно-гликолевой кислоты) и для отрицательно-контрольной группы были нормализованы относительно объема кости на долю общего объема для положительно-контрольной группы (с аутологичной костью).


Изображение №3b

Конусно-лучевая и микро-компьютерная томографии показали увеличение количества минерализованного костного матрикса в дефектах, обработанных гиперэластичными костными имплантами (3b).

По данным микро-компьютерной томографии — 36,1% на 8 неделе и 37,1% на 12 неделе наблюдений. По данным конусно-лучевой томографии объем минерализованной кости в случае применения гиперэластичного костного имплантата составил 55,7% на 8 неделе и 57,0% на 12 неделе наблюдений. Это данные до нормализации.

Теперь стало видно, что объем регенерации с применением гиперэластичной кости составил 95,6% и 82,0% (8-ая и 12-ая неделя наблюдений) от объема положительно-контрольной группы (с аутологичной костью). После была проведена нормализация к показателям объема минерализованной кости в случае аутологичных трансплантатов. 2% и 64. А микро-компьютерная томография дала следующие результаты: 74. 5% (8-ая и 12-ая неделя наблюдений).

6% и 22. Применение исключительно поли (молочно-гликолевой кислоты) в качестве материала для имплантации оказалось достаточно неэффективным: 16. Малоэффективность этого метода подтверждается еще и тем, что его результаты не сильно отличаются от результатов отрицательно-контрольной группы, у которой вообще не было имплантатов: 10. 5% (8-ая и 12-ая неделя наблюдений) от объема положительно-контрольной группы. 8% на конусно-лучевой томографии и 14. 3% и 13. 5% на микро-компьютерной томографии. 5% и 19.

Сравнение результатов испытываемого нового материала (гиперэластичной кости) с результатами отрицательно-контрольной группы показало разницу в объеме минерализованной кости в 7,81 раза на 8 неделе и в 5,75 раза на 12 неделе в пользу гиперэластичной кости.

Таким образом, с точки зрения объема регенерации применение гиперэластичной кости практически сопоставимо с применением коммерческих вариантов имплантатов с аутологичной костью.


Изображение №4: стрелки — дефектный край; Ft — фиброзные (волокнистые) ткани; Mc — мембранно-клеточный компонент; Nb — новая кость.

Учеными были определены края дефектов, а образования новой кость специально были окрашены с помощью эозина для лучшей визуализации. Проведенный гистологический анализ лишь подтвердил данные конусно-лучевой и микро-компьютерной томографий.

Образцы с поли (молочно-гликолевой кислотой) также не могли похвастаться большим объемом новообразованной кости (третий ряд). В случае отрицательно-контрольной группы наблюдалась фиброзная ткань, но образование новой кости было минимальным (верхний ряд на изображении №4).

На 8 неделе наблюдений в местах дефектов проявляется фиброзная ткань и мембранно-клеточные компоненты внутри имплантата, а на 12-ой неделе начинается образование новой кости вокруг элементов каркаса имплантата. А вот образцы, где была применена гиперэластичная кость, напротив показали формирование минерализованной костной ткани на поверхности краев дефектов (4-ый ряд).


Изображение №5

И напоследок, анализ РЭМ (растровый электронный микроскоп) снимков образцов с гиперэластичной костью на 12 недели наблюдений показал образование тесного клеточного контакта тканей с материалом внутри имплантата.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые продемонстрировали новый тип остеогенных биоматериалов, которые позволяют создавать имплантаты для лечения дефектов костей. Самыми важными особенностями своего детища ученые называют: простота имплантации, простота изготовления, высокая эффективность, низкая стоимость производства и кастомизация имплантата под определенного пациента.

Керамические и полимер-керамические имплантаты не могут таким похвастаться. Гиперэластичная кость действительно очень эластична и может принимать необходимую форму как в процессе изготовления, так и в момент имплантации, что сильно облегчает этот процесс.

Высокая степень регенерации кости и приживаемости имплантата — это куда важнее. Но даже не это самое важное достоинство. Уже через 4 недели после имплантации начинается активный процесс минерализации костных тканей.

Ученые также отмечают, что подобная скорость и эффективность крайне важны в случае достаточно больших дефектов (как это было продемонстрировано во время практических опытов).

Индивидуальность лечения, скорость производства, имплантации и быстрое выздоровление без побочных эффектов — это отличная реклама для новой технологии. Использование подобной технологии может очень сильно упростить жизнь как врачам, так и пациентам. В дальнейшем ученые намерены провести еще несколько экспериментов, детальнее изучить процесс регенерации и усовершенствовать свое изобретение.

Так что правила безопасности никто не отменял. Однако стоит отметить, что наличие подобных новшеств не означает, что можно ломать кости налево и направо.

Непятничный офф-топ:

Да, сегодня не пятница и не время для офф-топа, но я не удержался. 🙂
«Труп невесты» (2005 год, режиссер Тим Бёртон)

🙂
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2. 2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. Dell R420 — 2x E5-2430 2. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть