Laserprintede knogletransplantater kan transformere knogleheling

Et hold ingeniører fra ETH Zurich har præsenteret en mere effektiv og praktisk måde at skabe knogletransplantater på. Metoden bruger nye materialer og laserprint til at muliggøre hurtigere helbredelse med mindre risiko. Her er, hvad du bør vide.

Hvorfor knoglebrud stiger

Du kender sandsynligvis mindst én person, der har brækket en knogle. Oplevelserne kan spænde fra barndomsulykker til alvorlige traumer, men de kræver alle lægehjælp for at sikre, at knoglen heler korrekt.

Desværre er antallet af mennesker, der oplever knoglebrud, steget jævnt på verdensplan. Stigningen afspejler den aldrende babyboom-generation. Rapporter fra International Osteoporosis Foundation (IOF) viser, at der alene sidste år blev registreret over 37 millioner skrøbelighedsbrud blandt ældre, og tendensen ventes at fortsætte i takt med befolkningens aldring.

Hvordan knogler heler naturligt

Menneskekroppen er utrolig og kan selv hele milde brud. Først sender den forskellige bløddelsceller til det beskadigede område. Disse midlertidige celler fungerer som et stillads, der lader den nye knogle tage form og til sidst hærde.

En del af denne evne skyldes den unikke blanding af mikroskopiske passager og hulrum i knoglen. Rapporter viser, at et lille knoglefragment, der er mindre end en mønt, kan rumme mere end 54 kilometer mikroskopiske tunneler.

Når knoglebrud kræver kirurgisk indgriben

I nogle tilfælde er bruddet så alvorligt, at kroppen ikke kan hele skaden uden ekstra hjælp fra sundhedspersonale. Alvorlige åbne brud skal stabiliseres med metalstifter og implantater.

Fjernelse af tumorer kan også efterlade et manglende stykke knogle. Lægerne skal udfylde området for at stabilisere knoglen korrekt. I nogle tilfælde fremstilles transplantatet af knogle fra patienten.

Autotransplantater

Autotransplantater er den mest almindelige løsning i denne situation. De findes i mange former, og de mest udbredte muligheder bruger knogle fra patienten, keramik eller metal.

Problemer med autotransplantater

Autotransplantater kan forbedre helingen, men de har også ulemper. Processen kræver en ekstra operation for at hente det knoglevæv, der skal bruges til transplantatet. Det øger omkostningerne og risikoen, giver forsinkelser og kræver flere fagfolk.

ETH Zürichs gennembrud med laserprintet knogletransplantat

Den videnskabelige artikel «A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1»¹, som er offentliggjort i Advanced Materials, beskriver en helt ny tilgang med potentiale til at forandre sundhedssektoren.

2PP-mikrofabrikation

For at skabe bedre og mere stabile transplantater valgte holdet en metode kendt som to-foton-polymerisering (2PP). Teknikken blev oprindeligt udviklet som direkte laserskrivning til vævsteknologi og lægemiddeludvikling og bygger på femtosekundpulser.

Disse små lasere med høj intensitet bruges til at hærde særlige lysfølsomme materialer. Fordelen er, at ingeniørerne kan udvikle tredimensionelle strukturer i høj opløsning på submikrometerskala. Netop denne egenskab fangede interessen hos Xiao-Hua Qin, professor i biomaterialeteknik ved ETH Zurich, og hans hold.

Ny hydrogel var nødvendig

Det er ingen let opgave at efterligne menneskets ekstracellulære matrix (ECM), da det kræver en kompleksitet, som traditionelle 2PP-metoder ikke kunne levere. Holdet bemærkede, at en to-foton-laser kan fokusere den fotokemiske reaktion præcist på ét område og dermed give langt bedre kontrol end tidligere metoder med én laser.

Gelen var dog ikke stiv nok til at holde formen eller reaktiv nok til at blive på plads. For at løse problemerne fokuserede holdet på at udvikle en ny hydrogel.

Den nuværende 2PP-fremstilling bruger hydrogel med (meth)acrylerede proteiner.  Kommercielle vandopløselige thiol-tværbindere som dithiothreitol anvendes ofte. Proteinerne mangler de stærke tværbindingsmekanismer, der er nødvendige for at understøtte knoglevækst.

Kilde – ETH Zurich

Materialet kan ikke understøtte den detaljerigdom, som menneskeknogler kræver, og forsøgene gav mange strukturelle fejl. Normalt ville man øge polymerkoncentrationen, men holdet valgte en anden løsning.

PVA-thiol-tværbinder (PVASH)

Ingeniørerne besluttede at udvikle en helt ny hydrogel. Hydrogelen med en vandopløselig makromolekylær thiol-tværbinder af polyvinylalkohol (PVASH) bruger specialiserede molekyler for at forblive stabil og biokompatibel.

Først blandede holdet PVASH med norbornen-funktionaliseret PVA (nPVA). Derefter tilsatte det fotoinitiatorer for at sikre, at laserprocessen fungerede korrekt.

Den vigtigste ændring er, at metoden indfører flere reaktive grupper. Det får gelen til at hærde hurtigere og mere fuldstændigt, når laserstrålingen rammer den. Udviklerne kunne også bruge ét molekyle til at forbinde polymerkæden og et andet til at sikre lysreaktionen.

Laserprintet

Laserprint er en stor fordel, fordi ingeniørerne kan skabe naturlige knoglestrukturer med detaljer, der ofte kun er 500 nanometer brede. Holdet brugte en laser på 20 mW.

Denne mikroskopiske præcision sikrer, at knoglestrukturerne får naturlige hulrum og passager. Designene kan desuden forprogrammeres og fremstilles med imponerende 400 millimeter i sekundet. Hastigheden er ny verdensrekord og viser samtidig fremskridtets betydning for hurtigere helbredelse.

Mikro-stilladser

Materialet ser ud til at kunne genskabe menneskeknoglens kompleksitet så godt, at cellerne straks indleder den normale helingsproces. De mange kilometer mikroskopiske tunneler og passager giver den rette vedhæftning til at tiltrække og understøtte sund cellevækst.

Laboratorietest af laserprintede knoglestilladser

Forskerne udførte flere laboratorieforsøg for at se, om teorien holdt under virkelighedsnære forhold. De var glade for at se hurtig cellevækst i forsøgene.

Hydrogelen blev printet i den tilpassede form, og efter få dage begyndte kroppen at danne kollagen, som er et af de vigtigste trin i knoglevæksten. Ingeniørerne registrerede samtidig, hvordan polymeren blev nedbrudt i kroppen, og konstaterede, at den er fuldstændig uskadelig.

Derefter evaluerede de hydrogelen og molekylerne til thiol-en-tværbinding. Ydelsen overgik forventningerne og skabte en stærk og naturlig reparation af det beskadigede væv på kortere tid end andre metoder.

Testresultater for laserprintede knogletransplantater

Testresultaterne viser, hvor vigtigt arbejdet er for sundhedssektoren. Forskerne registrerede store forbedringer i alle dele af processen, fra formningen af transplantatet og cellernes indvækst til stilladsets biologiske nedbrydning. Arbejdet var præcist og skabte helede knogleceller, som svarede til dem, kroppen danner naturligt.

Fordele ved laserprintede knogletransplantater

Den nye hydrogel giver mange fordele. Den tilbyder blandt andet større fleksibilitet i struktur og placering. Traditionelle hydrogeler kan ikke formes. Ekstra bindemolekyler giver langt større stabilitet og muliggør direkte formning efter den enkelte patients behov.

Swipe to Scroll →

Nøjagtighed

En anden vigtig fordel er den øgede nøjagtighed, som metoden giver. De nye PVASH-baserede hydrogeler giver ingeniørerne flere muligheder for design og for strukturens samlede kompleksitet på mikroskopisk niveau.

Bedre patientrespons

Selv om forskerne kun har udført laboratorieforsøg, bemærkede de, at helingen med den nye metode gav langt mindre hævelse. Det skyldes, at hydrogelen er biokompatibel og lettere accepteres af kroppens celler end metal eller keramik.

Virkelige anvendelser & tidslinje:

Opdagelsen kan få praktiske anvendelser i flere brancher. Den mest oplagte er sundhedssektoren, hvor teknologien kan reducere omkostningerne og helingstiden for patienter med knoglebrud.

Proteser

Teknologien kan med tiden bruges til at skabe mere realistiske proteser, der ser ud og føles som rigtige kropsdele i stedet for erstatninger. I et ideelt tilfælde kan teknologien lægge fundamentet og lade cellevæksten klare resten.

Robotik

Robotindustrien kan også bruge teknologien til at skabe stærkere biomekaniske konstruktioner. Systemerne kan kombinere levende celler og strukturer med mekaniske enheder for at udvikle mere effektive og avancerede maskiner.

Tidslinje

Der kan gå mindst ti år, før teknologien er moden nok til brug på mennesker. Forskningen er stadig i en tidlig fase, og trods de gode resultater er der mange videnskabelige og regulatoriske hindringer, som skal overvindes, før teknologien kan blive almindelig.

Forskere bag laserprintede knogletransplantater

Forskere fra ETH Zurich ledede studiet af laserprintede knogletransplantater. Xiao-Hua Qin og Ralph Müller er anført som hovedforfattere. De fik støtte fra Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang og Philipp Fisch.

Fremtid

Fremtiden for laserprintede knogletransplantater er endnu ikke afgjort. Teknologien er fornuftig og har vist stort potentiale. Der mangler dog langt flere forsøg, herunder forsøg på mennesker.

Næste skridt er dyreforsøg. Forskerne har allerede indgået et strategisk samarbejde med AO Research Institute Davos for at gennemføre denne udviklingsfase. Afhængigt af resultaterne vil forskningen derefter gå videre til mennesker.

Investering i HealthTech-innovation

Flere virksomheder fortsætter med at drive innovation i HealthTech-sektoren. De har vist vilje til at finde kreative løsninger på dette kritiske problem. Her er en virksomhed, der fortsat er en markedsleder, som er værd at kende.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings begyndte som Bacterin International i et laboratorium på Montana State University i begyndelsen af 1990’erne. Projektets mål var at undersøge bedre medicinske metoder med fokus på implantater inden for regenerativ medicin.

Virksomheden skiftede navn til Xtant Medical Holdings i 2000 og lancerede en serie kirurgiske implantater i 2006. Produkterne fik stor opmærksomhed, og i 2013 gennemførte virksomheden en vellykket børsnotering. Samtidig begyndte den at opkøbe andre virksomheder inden for regenerativ knogleforskning, blandt andet X-spine i 2016.

I 2020 rettede Xtant opmærksomheden mod rekonstruktion af rygsøjlen.  Som led i strategien fortsatte virksomheden med opkøb og strategiske partnerskaber. Siden har den igen udvidet til andre områder inden for regenerativ knoglemedicin.

I dag regnes Xtant som en af verdens førende ortobiologiske virksomheder. Virksomheden har flere produkter, der er udviklet til at forbedre patientresultater, og investerer fortsat i mere effektive muligheder. Investorer, der søger en anerkendt medicoteknisk virksomhed, bør undersøge Xtants tilbud nærmere.

Seneste nyheder og resultater for Xtant Medical Holdings (XTNT)

Konklusion om laserprintede knogletransplantater

Det er let at forstå, hvorfor der arbejdes intenst på at finde bedre løsninger til patienter med komplekse knogleskader, eksempelvis rygmarvsskader. Befolkningen bliver ældre, og den slags skader vil blive mere almindelige. Arbejdet kan derfor danne grundlag for hurtigere og mere pålidelige helingsmetoder.

Få mere at vide om andre spændende fremskridt i HealthTech-sektoren her.

Referencer

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}