Laserprintede knogletransplantater kan transformere knogleheling

Et team af ingeniører fra ETH Zürich afslørede en mere effektiv og praktisk måde at fremstille knogletransplantater på. Deres tilgang bruger nye materialer og laserprintning for at muliggøre hurtigere opsving med mindre risiko. Her er hvad du behøver at vide.

Hvorfor knoglebrud er stigende

Du har sandsynligvis i det mindste kendt nogen, der har brækket et ben i deres liv. Selvom disse oplevelser kan variere fra ulykker i barndommen til større traumer, kræver de alle en form for lægehjælp for at sikre, at knoglen helbreder ordentligt.

Desværre er antallet af mennesker, der oplever knoglebrud, steget støt globalt. Denne stigning afspejler den aldrende babyboomer-demografi. Rapporter fra International Osteoporose Foundation (IOF) viser, at der alene sidste år blev registreret over 37 millioner skrøbelige brud blandt ældre, og denne tendens forventes at fortsætte i takt med den aldrende befolkning.

Hvordan knogler heler naturligt

Menneskekroppen er utrolig, og den kan hele brud og mindre brud på egen hånd. Som en del af denne evne vil den først udplacere en række bløddelsceller i det beskadigede område. Disse midlertidige celler fungerer som stilladser, der giver den nye knoglevækst mulighed for at tage form og til sidst hærde.

En del af denne succes skyldes den unikke blanding af mikroskopiske passager og mellemrum, der findes i hele din knogle. Imponerende nok viser rapporter, at et lille knoglefragment mindre end en kvartdel kan have mere end 54 kilometer mikroskopiske tunneler, der løber igennem det.

Når knoglebrud kræver kirurgisk indgreb

Der er scenarier, hvor bruddet er så alvorligt, at den menneskelige krop ikke er i stand til at hele såret uden yderligere hjælp fra sundhedspersonale. Specifikt kræver alvorlige sammensatte frakturer en fastgørelse, der holdes på plads via metalstifter og implantater.

Fjernelse af eventuelle tumorer kan også efterlade en del af knoglen, der mangler. Læger skal udfylde dette manglende knoglesegment for at få knoglen korrekt fastgjort. I nogle tilfælde laves et transplantat ved hjælp af knogle fra patienten.

Autografts

Autografter er den mest populære måde, hvorpå sundhedspersonale håndterer denne situation. Autografter kan forekomme i mange former, hvor de mest populære er ved hjælp af knogle fra patienten, keramik eller metal.

Problemer med autotransplantater

Autografter kan forbedre helingsprocessen, men de er ikke uden problemer. For det første kræver processen en yderligere operation for at fastgøre det knoglevæv, der skal bruges til at skabe transplantatet. Dette trin tilføjer omkostninger og risici til scenariet, foruden tidsforsinkelser og behovet for yderligere fagfolk.

ETH Zürichs gennembrud inden for laserprintede knogletransplantationer

Den videnskabelige artikel "En vandopløselig PVA-makrothiol muliggør to-foton-mikrofabrikation af celleinteraktive hydrogelstrukturer ved 400 mm s−1”¹ Publiceret i Advanced Materials fremhæver en helt ny tilgang, der har potentiale til at revolutionere sundhedsvæsenet fremadrettet.

2PP mikrofabrikation

For at udføre deres opgave med at skabe bedre og mere stabile transplantater, undersøgte holdet en metode kendt som To-foton polymerisation (2PP)Den blev oprindeligt udviklet som en direkte laserskriveteknik, der blev brugt i vævsteknologi og lægemiddeludvikling, og den er afhængig af femtosekund laserpulser.

Disse små højintensitetslasere bruges til at hærde specielle lysfølsomme materialer. Fordelen ved denne tilgang er, at den giver ingeniører mulighed for at udvikle 3D-arkitekturer med høj opløsning på (sub)mikronskala. Det er denne sidste funktion, der har fanget opmærksomheden hos professor i biomaterialeteknik ved ETH Zürich, Xiao-Hua Qin, og hans team.

Ny hydrogel var nødvendig

Efterligning af ekstracellulær matrix (ECM) af et menneske er ingen nem opgave, da det kræver et uovertruffent niveau af kompleksitet, som traditionelle 2PP-strategier manglede. De bemærkede, at brugen af ​​en dobbeltfotonlaser gør det muligt at fokusere den fotokemiske reaktion præcist på et enkelt område, hvilket giver meget mere kontrol i forhold til tidligere metoder med én laser.

Gelen var dog ikke stiv nok til at tage form eller reaktiv nok til at holde sig på plads. For at løse disse problemer rettede holdet sit fokus mod at skabe en ny hydrogel.

Det er værd at bemærke, at den nuværende form for 2PP-fremstilling bruger hydrogelholdige (meth)acrylerede proteiner. Kommercielle vandopløselige thiol-tværbindingsmidler, såsom dithiothreitol, anvendes almindeligvis. Disse proteiner mangler de stærke tværbindingsmekanismer, der kræves for at understøtte knoglevækst.

Kilde - ETH Zurich

Dette materiale kan ikke understøtte det niveau af kompleksitet, der kræves til menneskelige knogler, og da de forsøgte at bruge dette materiale, registrerede de et stort antal strukturelle defekter. Traditionelt ville tilsætning af flere polymerkoncentrationer være muligheden, men holdet besluttede sig imod dette skridt.

PVA Thiol-tværbinder (PVASH)

Ingeniørerne besluttede, at det var bedst at udvikle en helt ny hydrogel for at nå deres mål. Den vandopløselige polyvinylalkohol-makromolekylære thiol-tværbinder (PVASH) hydrogel bruger specialiserede molekyler til at forblive stabil og ikke-påtrængende.

Helt konkret blandede teamet PVASH med norbornen-funktionaliseret PVA (nPVA) som den første del af proceduren. Det næste trin involverede tilsætning af fotoinitiatorer for at sikre, at laserprocessen fungerede korrekt.

Den primære ændring i denne tilgang er, at den introducerer flere reaktive grupper. Denne strategi får gelen til at hærde hurtigere og mere grundigt, når laserstrålingen rammer den. Den gjorde det også muligt for udviklerne at bruge ét molekyle til at forbinde polymerkæden og det andet til at sikre lysreaktionen.

Laserprintet

Brugen af ​​laserprint er en stor fordel, der gør det muligt for ingeniører at opnå naturlige knoglestrukturer, der ofte har detaljer så små som 500 nanometer i bredden. Helt konkret integrerede teamet en 20 mW laser til opgaven.

Denne mikroskopiske kapacitet sikrer, at knoglestrukturerne har naturlige hulrum og baner. Disse designs kan også forprogrammeres og leveres med imponerende 400 millimeter i sekundet. Denne hastighed repræsenterer en ny verdensrekord, samtidig med at den viser vigtigheden af ​​denne udvikling med hensyn til at fremskynde patienters helingsproces.

Mikrostilladser

Materialet ser ud til at være i stand til at genskabe kompleksiteten af ​​menneskelige knogler i en sådan grad, at cellerne vil begynde den traditionelle helingsproces uden forsinkelse. De kilometerlange mikroskopiske tunneler og passager giver den perfekte mængde adhæsion til at tiltrække og understøtte sund cellevækst.

Laboratorietestning af laserprintede knoglestilladser

Forskerne udførte adskillige laboratorietests for at se, om deres teori kunne holde under virkelige forhold. Især var ingeniørerne henrykte over at se, at reagensglasstudierne viste hurtig cellevækst.

Helt konkret blev hydrogelen printet ind i den specialfremstillede formation, og inden for få dage begyndte kroppen at danne kollagen, hvilket er et af de vigtigste trin i knoglevækst. Ingeniørerne tog sig også tid til at registrere, hvordan polymeren opløstes i kroppen, og bemærkede, at det er fuldstændig harmløst.

Derefter brugte de noget tid på at evaluere deres hydrogel og thiol-en-tværbindingsmolekylerne. De bemærkede, at deres ydeevne overgik forventningerne og skabte en stærk og naturlig reparation af det beskadigede væv på kortere tid end andre metoder.

Resultater af laserprintede knogletransplantationstest

Testresultaterne understreger, hvor vigtigt dette arbejde er for sundhedssektoren. Forskerne var i stand til at registrere en massiv forbedring i alle aspekter af processen. Fra støbning af transplantatet til cellernes indtrængen og endelig den biologiske nedbrydning af stilladserne, viste forskerens arbejde sig at være præcist og skabte helede knogleceller, der er præcis som dem, der skabes naturligt.

Fordele ved laserprintede knogletransplantater

Der er mange fordele ved denne nye hydrogel. For det første tilbyder den mere fleksibilitet med hensyn til struktur og placering. Traditionelle hydrogeler har ingen formbarhed. Tilføjelsen af ​​yderligere forbindelsesmolekyler skaber langt mere stabilitet, hvilket muliggør direkte støbning baseret på individets personlige behov.

Stryg for at scrolle →

Fidelity

En anden væsentlig fordel, der ikke kan overses, er den øgede nøjagtighed, som denne tilgang giver. De nye PVASH-baserede hydrogeler giver ingeniører flere muligheder med hensyn til design og den samlede kompleksitet af strukturen på et mikroskopisk niveau.

Bedre patientrespons

Selvom forskerne kun har udført laboratorieforsøg, bemærkede de, at helingsprocessen ved hjælp af den nye strategi viste meget mindre hævelse. Den reducerede hævelse skyldes, at hydrogelen er biokompatibel, hvilket er lettere for kroppens celler at acceptere i forhold til metal- eller keramikalternativer.

Real-World-applikationer og tidslinje:

Den praktiske anvendelse af denne opdagelse kan strække sig på tværs af flere brancher. For det første er dens åbenlyse anvendelse inden for sundhedssektoren, hvor den kan bidrage til at reducere omkostningerne og restitutionstiden for patienter efter knoglebrud.

proteser

Denne teknologi kan i sidste ende bruges til at skabe mere realistiske proteser, der ligner og føles som rigtige kropsdele i stedet for erstatninger. Teknologien kan lægge fundamentet og muliggøre, at cellevækst klarer resten i et ideelt scenarie.

Robotics

Robotmarkedet kunne også udnytte denne teknologi til at skabe stærkere biomekaniske designs. Disse enheder kunne udnytte en kombination af levende celler og struktur sammen med mekaniske apparater til at skabe mere effektive og kapable maskiner i fremtiden.

Tidslinje

Det kan tage mindst ti år, før denne teknologi er moden nok til menneskelig brug. Forskningen er stadig i sin tidlige fase, og på trods af stor succes indtil videre er der stadig mange videnskabelige og lovgivningsmæssige forhindringer, der skal overvindes, før denne teknologi bliver mainstream.

Forskere inden for laserprintede knogletransplantater

Forskere fra ETH Zürich ledede Laserprintede knogletransplantater Studiet. Artiklen nævner Xiao-Hua Qin og Ralph Müller som hovedforfattere. De modtog støtte fra Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang og Philipp Fisch.

Fremtid

Fremtiden for laserprintede knogletransplantater er endnu ikke afgjort. Teknologien giver mening og har vist sig lovende. Der er dog stadig meget mere test at gennemføre, herunder forsøg på mennesker.

Det næste skridt bliver at gå videre til dyreforsøg. Forskerne har allerede annonceret et strategisk partnerskab med AO Forskningsinstitut Davos for at fremme denne næste udviklingsfase. Afhængigt af resultaterne af denne test vil forskningen gå videre mod menneskelige patienter.

Investering i sundhedsteknologisk innovation

Der er adskillige virksomheder, der fortsat driver innovation i HealthTech-sektoren. Disse virksomheder har vist en vilje til at se ud af boksen for at finde løsninger på dette kritiske problem. Her er én virksomhed, der fortsat er en pioner på markedet, som er værd at kende.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical Holdings opstod som Bacterin International på Montana State Universitys laboratorium i starten af ​​90'erne. Målet med projektet var at undersøge bedre medicinsk praksis med fokus på regenerative medicinimplantater.

Xtant Medical Holdings fik et nyt navn i 2000, og i 2006 lancerede de en serie af kirurgiske implantater. Disse produkter fik stor opmærksomhed, og i 2013 blev virksomheden vært for en succesfuld børsnotering. Samtidig begyndte virksomheden at opkøbe andre virksomheder inden for regenerativ knogleforskning, såsom X-spine i 2016.

I 2020 rettede Xtant sit fokus mod rygsøjlegendannelse. Som en del af denne strategi fortsatte virksomheden med at foretage opkøb og indgå strategiske partnerskaber. Siden da har virksomheden ekspanderet tilbage til andre regenerative knoglevidenskaber.

I dag er Xtant anerkendt som en af ​​verdens førende ortobiologiske virksomheder. Virksomheden har adskillige produkter, der er designet til at forbedre patientresultaterne, og fortsætter med at investere i at skabe mere effektive muligheder. De, der søger en velrenommeret medicoteknologisk virksomhed, bør undersøge Xtants tilbud nærmere.

Seneste nyheder og resultater fra Xtant Medical Holdings (XTNT)

Konklusion om laserprintede knogletransplantater

Det er let at forstå, hvorfor der er et stærkt pres for at finde en bedre løsning for patienter, der lider af vanskelige knogleskader som f.eks. spinal traumer. Befolkningen ældes, og den slags skader vil blive mere almindelige i fremtiden. Dette arbejde kan derfor lægge grundlaget for hurtigere og mere pålidelige helingsstrategier.

Lær om andre spændende udviklinger inden for sundhedsteknologisektoren link..

Referencer

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, ME, Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, XH En vandopløselig PVA-makrothiol muliggør to-foton-mikrofabrikation af celleinteraktive hydrogelstrukturer ved 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}