Laser-tulostetut luusiirteet voivat mullistaa luun paranemisen

ETH Zürichin insinöörit esittelivät tehokkaamman ja käytännöllisemmän tavan luoda luusiirteitä. Heidän lähestymistapansa hyödyntää uusia materiaaleja ja lasertulostusta mahdollistaen nopeamman toipumisen pienemmällä riskillä. Tässä on mitä sinun tulee tietää.

Miksi luunmurtumien määrä kasvaa

Olet todennäköisesti ainakin tuntenut jonkun, joka on elinaikanaan murtanut luun. Vaikka kokemukset voivat vaihdella lapsuudenonnettomuuksista vakaviin vammoihin, ne kaikki vaativat jonkinlaista lääketieteellistä hoitoa varmistaakseen, että luu paranee oikein.

Valitettavasti luunmurtumien määrä on kasvanut tasaisesti maailmanlaajuisesti. Tämä kasvu heijastaa ikääntyvää baby-boomer-sukupolvea. International Osteoporosis Foundationin (IOF) raporttien mukaan pelkästään viime vuonna vanhuksilla rekisteröitiin yli 37 miljoonaa hauraan luun murtumaa, ja tämän trendin ennustetaan jatkuvan ikääntyvän väestön myötä.

Miten luut paranevat luonnollisesti

Ihmiskeho on uskomaton, ja se voi parantaa murtumia ja lieviä särkyjä itsenäisesti. Osana tätä kykyä se lähettää ensin erilaisia pehmytkudos-soluja vaurioituneelle alueelle. Nämä väliaikaiset solut toimivat rakennustelineinä, joiden avulla uusi luukasvu voi muodostua ja lopulta kovettua.

Osa tästä menestyksestä johtuu luusi löytyvistä ainutlaatuisista mikroskooppisista käytävistä ja tiloista. Vaikuttavasti raportit osoittavat, että pieni, neljännesdollaria pienempi luupala voi sisältää yli 54 kilometriä mikroskooppisia tunneleita.

Kun luunmurtumat vaativat kirurgista toimenpidettä

On tilanteita, joissa murtuma on niin vakava, että ihmiskeho ei pysty parantamaan vammaa ilman lisäapua terveydenhuollon ammattilaisilta. Erityisesti vakavat avomurtumat vaativat kiinnityksen, joka pidetään paikallaan metallitappeilla ja implantateilla.

Myös kasvainten poistaminen voi jättää osan luusta puuttumaan. Lääkärien on täytettävä tämä puuttuva luusegmentti asettaakseen luun oikein. Joissakin tapauksissa siirre tehdään käyttämällä potilaan omaa luuta.

Autograftit

Autograftit ovat suosituin tapa, jolla terveydenhuollon ammattilaiset käsittelevät tätä tilannetta. Autograftteja voi olla monessa muodossa, ja suosituin käyttää potilaan omaa luuta, keraamisia tai metallisia vaihtoehtoja.

Ongelmia autograftien kanssa

Autograftit voivat parantaa paranemisprosessia, mutta niissä on omat ongelmansa. Ensinnäkin prosessi vaatii lisäleikkauksen luukudoksen hankkimiseksi, jota käytetään siirteen valmistamiseen. Tämä vaihe lisää kustannuksia ja riskejä tilanteeseen, sekä aikaa ja tarpeen lisäammattilaisille.

ETH Zürichin läpimurto laser-tulostetuissa luusiirteissä

Tieteellinen artikkeli “A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹, joka on julkaistu Advanced Materials -lehdessä, korostaa täysin uutta lähestymistapaa, jolla on potentiaali mullistaa terveydenhuoltoa tulevaisuudessa.

2PP-mikrovalmistus

Suoriutuakseen tehtävästään luoda parempia ja vakaampia siirteitä, tiimi kääntyi menetelmään nimeltä Two-photon polymerization (2PP). Alun perin kehitetty suoraksi laserkirjoitustekniikaksi, jota käytetään kudosinsinööritieteessä ja lääkekehityksessä, se perustuu femtosekuntilaserpulsseihin.

Näitä pieniä korkeatehoisia lasereita käytetään erityisten valoherkkien materiaalien kovettamiseen. Tämän lähestymistavan etuna on, että se mahdollistaa insinöörien kehittää korkearesoluutioisia 3D-arkkitehtuureja (sub)-mikrometrin tarkkuudella. Juuri tämä viimeinen kyky herätti ETH Zürichin biomateriaali-insinööritieteen professori Xiao-Hua Qinin ja hänen tiiminsä huomion.

Uutta hydrogeeliä tarvittiin

Ihmisen soluväliaineen (ECM) jäljittely ei ole helppo tehtävä, sillä se vaatii vertaansa vailla olevan monimutkaisuuden, jota perinteisiltä 2PP-strategioilta puuttui. He huomasivat, että kaksoisfotonilaserin käyttö mahdollistaa fotokemiallisen reaktion keskittymisen tarkasti yhteen alueeseen, tarjoten paljon enemmän hallintaa verrattuna aiempiin yksilaserlähestymistapoihin.

Geeli ei kuitenkaan ollut tarpeeksi jäykkä muotoutuakseen tai tarpeeksi reaktiivinen pysyäkseen paikallaan. Ratkaistakseen nämä ongelmat tiimi keskittyi uuden hydrogeelin luomiseen.

Huomionarvoista on, että nykyinen 2PP-valmistusmuoto käyttää hydrogeeliä, joka sisältää (met)akryloituja proteiineja. Kaupallisia vesi-liukoisia tioli-silloittajia, kuten ditiotreitolia, käytetään yleisesti. Näistä proteiineista puuttuu vahvat silloitusmekanismit, joita luun kasvu vaatii.

Lähde – ETH Zurich

Tämä materiaali ei voi tukea ihmisen luulle vaadittua monimutkaisuutta, ja kun he yrittivät käyttää tätä materiaalia, he rekisteröivät suuren määrän rakenteellisia puutteita. Perinteisesti lisäpolymeripitoisuuksien lisääminen olisi vaihtoehto, mutta tiimi päätti olla tekemättä tätä liikettä.

PVA-tioli-silloittaja (PVASH)

Insinöörit päättivät, että parasta on kehittää täysin uusi hydrogeeli tavoitteidensa saavuttamiseksi. Vesi-liukoinen polyvinyylialkoholi-makromolekulaarinen tioli-silloittaja (PVASH) -hydrogeeli käyttää erikoismolekyylejä pysyäkseen vakaana ja ei-tunkeutuvana.

Erityisesti tiimi sekoitti PVASH:n norbornenefunktionalisoituun PVA:han (nPVA) menettelyn ensimmäisenä osana. Seuraava vaihe oli valoinitiaattorien lisääminen varmistaakseen, että laserprosessi toimii oikein.

Tämän lähestymistavan päämuutos on, että se esittelee useita reaktiivisia ryhmiä. Tämä strategia saa geelin kovettumaan nopeammin ja perusteellisemmin, kun lasersäteily osuu siihen. Se mahdollisti myös kehittäjien käyttää yhtä molekyyliä polymeriketjun linkittämiseen ja toista valoreaktion varmistamiseen.

Laser-tulostettu

Laser-tulostuksen käyttö on merkittävä etu, joka mahdollistaa insinöörien saavuttaa luonnollisia luurakenteita, joissa on usein yksityiskohtia, joiden leveys on vain 500 nanometriä. Erityisesti tiimi integroi 20 mW laserin tehtävään.

Tämä mikroskooppinen kyky varmistaa, että luurakenteissa on luonnollisia onteloita ja polkuja. Lisäksi nämä suunnitelmat voidaan esiohjelmoida ja toteuttaa vaikuttavalla 400 millimetriä sekunnissa -nopeudella. Tämä nopeus edustaa uutta maailmanennätystä ja samalla osoittaa tämän edistyksen tärkeyden potilaan toipumisen nopeuttamisessa.

Mikrorakennustelineet

Materiaali näyttää pystyvän jäljentämään ihmisen luun monimutkaisuuden siihen pisteeseen, että solut alkavat perinteisen paranemisprosessin viivytyksettä. Tarkasti katsoen kilometrit mikroskooppisia tunneleita ja käytäviä tarjoavat täydellisen määrän tarttuvuutta terveiden solujen kasvun houkuttelemiseksi ja tukemiseksi.

Laser-tulostettujen luurakennustelineiden laboratoriotestaus

Tutkijat suorittivat useita laboratoriotestejä nähdäkseen, kestääkö heidän teoriansa todellisissa olosuhteissa. Erityisesti insinöörit olivat iloisia nähdessään, että koeputkitutkimukset osoittivat nopeaa solukasvua.

Erityisesti hydrogeeli tulostettiin räätälöityyn muotoon, ja muutamassa päivässä keho alkoi tuottamaan kollageenia, joka on yksi tärkeimmistä vaiheista luun kasvussa. Insinöörit myös rekisteröivät tänä aikana, kuinka polymeri hajosi kehoon, ja huomasivat, että se on täysin vaaratonta.

He sitten käyttivät aikaa arvioidakseen hydrogeeliään ja tioli-eeni-silloitusmolekyylejään. He huomasivat niiden suorituskyvyn ylittävän odotukset, luoden vahvan ja luonnollisen korjauksen vaurioituneeseen kudokseen lyhyemmässä ajassa kuin muut menetelmät.

Laser-tulostettujen luusiirteiden testitulokset

Testitulokset korostavat, kuinka tärkeää tämä työ on terveydenhuoltosektorille. Tutkijat pystyivät rekisteröimään massiivisen parannuksen prosessin jokaisessa osa-alueessa. Siirteen muovaamisesta solujen muuttoon ja lopulta rakennustelineiden biohajoamiseen, tutkijoiden työ osoittautui tarkaksi, luoden parantuneita luusoluja, jotka ovat täsmälleen samanlaisia kuin luonnollisesti luodut.

Laser-tulostettujen luusiirteiden edut

Tämä uusi hydrogeeli tuo pöytään monia etuja. Ensinnäkin se tarjoaa enemmän joustavuutta rakenteen ja sijoittelun suhteen. Perinteisillä hydrogeleillä ei ole muovautuvuutta. Lisälinkkien molekyylien lisääminen luo paljon enemmän vakautta, mahdollistaen suoran muovaamisen yksilön henkilökohtaisten tarpeiden perusteella.

Swipe to Scroll →

Uskollisuus

Toinen merkittävä etu, jota ei voi sivuuttaa, on tämän lähestymistavan tarjoama lisätarkkuus. Uudet PVASH-pohjaiset hydrogeelit tarjoavat insinööreille enemmän vaihtoehtoja suunnittelun ja rakenteen kokonaisvaltaisen monimutkaisuuden suhteen mikroskooppisella tasolla.

Parempi potilaan vaste

Vaikka tutkijat ovat suorittaneet vain laboratoriokokeita, he huomasivat, että paranemisprosessi uutta strategiaa kä