Laserpainetut luusiirteet voivat mullistaa luun paranemisen

ETH Zürichin insinöörit esittelivät tehokkaamman ja käytännöllisemmän tavan valmistaa luusiirteitä. Uudet materiaalit ja lasertulostus mahdollistavat nopeamman toipumisen pienemmällä riskillä. Tässä tärkeimmät tiedot.

Miksi luunmurtumat lisääntyvät

Todennäköisesti tunnet ainakin jonkun, joka on murtanut luun. Lapsuuden tapaturmista vakaviin vammoihin kaikki tapaukset vaativat jonkinlaista hoitoa, jotta luu paranee oikein.

Luunmurtumien määrä on valitettavasti kasvanut maailmanlaajuisesti väestön ikääntyessä. Kansainvälisen osteoporoosisäätiön (IOF) mukaan vanhuksilla kirjattiin viime vuonna yli 37 miljoonaa haurausmurtumaa, ja suuntauksen arvioidaan jatkuvan.

Miten luut paranevat luonnollisesti

Ihmiskeho pystyy parantamaan murtumia itse. Se lähettää ensin vaurioalueelle pehmytkudossoluja, jotka toimivat tilapäisenä tukirakenteena, kunnes uusi luu muodostuu ja kovettuu.

Onnistumista tukee luun mikroskooppisten kanavien ja onteloiden ainutlaatuinen verkosto. Alle kolikon kokoisessa luunpalassa voi olla yli 54 kilometriä mikroskooppisia tunneleita.

Milloin luunmurtumat vaativat kirurgista puuttumista

Jos murtuma on hyvin vakava, keho ei parane ilman ammattilaisten apua. Vaikeat avomurtumat on asetettava paikoilleen metallipiikeillä ja implanteilla.

Kasvaimen poisto voi myös jättää luuhun aukon, joka lääkärien on täytettävä. Joissakin tapauksissa siirre tehdään potilaan omasta luusta.

Autograftit

Autograftit ovat yleisin ratkaisu. Niissä voidaan käyttää potilaan omaa luuta tai keraamisia tai metallisia vaihtoehtoja.

Autograftien ongelmat

Autograftit edistävät paranemista, mutta niihin liittyy ongelmia. Luukudoksen ottaminen siirrettä varten vaatii uuden leikkauksen, mikä lisää kustannuksia, riskejä, viiveitä ja henkilöstötarvetta.

ETH Zürichin laserpainetun luusiirteen läpimurto

Advanced Materials -lehdessä julkaistu tutkimus ”A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹ esittelee täysin uuden lähestymistavan, joka voi mullistaa terveydenhuoltoa.

2PP-mikrofabrikointi

Parempien ja vakaampien siirteiden luomiseksi ryhmä käytti kaksifotonipolymerointia (2PP). Kudostekniikan ja lääkekehityksen suorana laserkirjoitusmenetelmänä kehitetty tekniikka perustuu femtosekuntilaserpulsseihin.

Pienet suurteholaserit kovettavat valoherkkiä materiaaleja. Menetelmä mahdollistaa erittäin tarkat kolmiulotteiset rakenteet alle mikrometrin mittakaavassa, mikä kiinnitti ETH Zürichin biomateriaalitekniikan professori Xiao-Hua Qinin ryhmän huomion.

Uutta hydrogeelia tarvittiin

Ihmisen soluväliaineen (ECM) jäljittely on vaikeaa, koska perinteinen 2PP ei saavuta tarvittavaa monimutkaisuutta. Kaksifotonilaser kohdistaa fotokemiallisen reaktion täsmälleen yhteen alueeseen ja antaa paljon paremman hallinnan.

Kuitenkin geeli ei ollut tarpeeksi jäykkä muotoutuakseen tai reaktiivinen pysyäkseen paikallaan. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tiimi keskittyi uuden hydrogeelin luomiseen.

Huomionarvoista on, että nykyinen 2PP-fabrikointimuoto käyttää hydrogeelia, joka sisältää (met)akryloituja proteiineja. Kaupallisesti vesiliukoisia tioli-kytkentäaineita, kuten ditiotreitolia, käytetään yleisesti. Nämä proteiinit eivät sisällä vahvoja ristikytkentämekanismeja, jotka ovat tarpeen luun kasvun tukemiseksi.

Lähde – ETH Zurich

Materiaali ei tue ihmisluun vaatimaa tarkkuutta, ja kokeissa havaittiin paljon rakennevikoja. Tavallisesti polymeeripitoisuutta lisättäisiin, mutta ryhmä hylkäsi tämän vaihtoehdon.

PVA-tioli-kytkin (PVASH)

Insinöörit päättivät kehittää kokonaan uuden hydrogeelin. Vesiliukoinen polyvinyylialkoholipohjainen makromolekyylinen tioliristisilloittaja (PVASH) käyttää erikoismolekyylejä pysyäkseen vakaana ja kudokselle vaarattomana.

Erityisesti tiimi sekoitti PVASH:ia norbornene-funktioidun PVA:n (nPVA) kanssa prosessin ensimmäisenä osana. Seuraava vaihe sisälsi fotoinitiattorien lisäämisen varmistamaan, että laserprosessi toimisi oikein.

Keskeinen muutos on useiden reaktiivisten ryhmien käyttö. Geeli kovettuu lasersäteilystä nopeammin ja perusteellisemmin. Yksi molekyyli yhdistää polymeeriketjun ja toinen varmistaa valoreaktion.

Laserpainettu

Lasertulostuksella voidaan valmistaa luonnollisia luurakenteita, joiden yksityiskohdat ovat vain 500 nanometriä leveitä. Ryhmä käytti tehtävään 20 mW:n laseria.

Mikroskooppinen tarkkuus luo luonnolliset ontelot ja kanavat. Rakenteet voidaan esiohjelmoida ja tulostaa 400 millimetriä sekunnissa, mikä on uusi maailmanennätys ja nopeuttaa potilaiden toipumista.

Micro-tukirakenteet

Materiaali jäljittelee ihmisluun monimutkaisuutta niin hyvin, että solut aloittavat normaalin paranemisen viiveettä. Mikroskooppiset tunnelit tarjoavat sopivan tartuntapinnan terveelle solukasvulle.

Laserpainettujen luutukirakenteiden laboratoriotestaus

Tutkijat testasivat teoriaa useissa laboratoriokokeissa ja havaitsivat koeputkitutkimuksissa nopeaa solukasvua.

Erityisesti hydrogeeli painettiin mukautettuun muotoon, ja päivien sisällä keho alkoi tuottaa kollageenia, joka on yksi tärkeimmistä vaiheista luun kasvussa. Insinöörit käyttivät myös tämän ajan rekisteröidäkseen, miten polymeeri hajoaa kehossa, huomaten että se on täysin vaaraton.

Hydrogeeliä ja tioli-eeni-ristisilloitusmolekyylejä arvioitaessa suorituskyky ylitti odotukset ja loi vaurioituneeseen kudokseen vahvan, luonnollisen korjauksen muita menetelmiä nopeammin.

Laserpainettujen luusiirteiden testitulokset

Tulokset osoittavat työn merkityksen terveydenhuollolle. Siirteen muotoilusta solujen siirtymiseen ja tukirakenteen hajoamiseen kaikki vaiheet paranivat huomattavasti, ja syntynyt luukudos vastasi luonnollista kudosta.

Laserpainettujen luusiirteiden edut

Uusi hydrogeeli tarjoaa monia etuja, kuten joustavamman rakenteen ja sijoittelun. Perinteisiä hydrogeelejä ei voi muotoilla, mutta lisäliitosmolekyylit vakauttavat materiaalin ja mahdollistavat potilaskohtaisen muotoilun.

Pyyhkäise vierittääksesi →

Uskollisuus

Toinen tärkeä etu on suurempi tarkkuus. PVASH-hydrogeelit antavat insinööreille enemmän vaihtoehtoja rakenteen suunnitteluun ja mikroskooppiseen monimutkaisuuteen.

Parempi potilasvaste

Vaikka kokeet ovat olleet laboratoriokokeita, uusi menetelmä aiheutti selvästi vähemmän turvotusta. Bioyhteensopiva hydrogeeli on kehon soluille helpompi hyväksyä kuin metalli tai keramiikka.

Reaaliaikaiset sovellukset ja aikajana:

Löydön käytännön sovellukset ulottuvat useille aloille. Terveydenhuollossa se voi vähentää luunmurtumien hoitokustannuksia ja toipumisaikaa.

Proteesit

Tekniikalla voidaan myöhemmin luoda realistisempia proteeseja, jotka näyttävät ja tuntuvat oikeilta ruumiinosilta. Se voisi muodostaa perustan, jonka solukasvu viimeistelee.

Robotiikka

Myös robotiikka voisi hyödyntää tekniikkaa vahvemmissa biomekaanisissa rakenteissa, joissa elävät solut ja tukirakenne yhdistyvät mekaanisiin laitteisiin.

Aikajana

Ihmiskäyttöön kypsyminen voi kestää vähintään kymmenen vuotta. Tutkimus on varhaisessa vaiheessa, ja tieteellisiä sekä sääntelyesteitä on vielä paljon.

Laserpainettujen luusiirteiden tutkijat

ETH Zürichin tutkijat johtivat lasertulostettujen luusiirteiden tutkimusta. Pääkirjoittajat ovat Xiao-Hua Qin ja Ralph Müller, ja heitä tukivat Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang ja Philipp Fisch.

Tulevaisuus

Lasertulostettujen luusiirteiden tulevaisuus on avoin. Tekniikka on lupaava, mutta testausta, myös ihmiskokeita, tarvitaan vielä paljon.

Seuraava vaihe on eläinkokeet. Tutkijat ovat sopineet yhteistyöstä AO Research Institute Davosin kanssa. Tuloksista riippuen siirrytään ihmispotilaisiin.

Sijoittaminen HealthTech-innovaatioihin

Useat HealthTech-yritykset kehittävät edelleen uudenlaisia ratkaisuja tähän tärkeään ongelmaan. Seuraava yritys on yksi alan merkittävistä pioneereista.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings syntyi Bacterin Internationalina Montana State Universityn laboratoriossa 1990-luvun alussa tutkimaan parempia hoitokäytäntöjä ja regeneratiivisen lääketieteen implantteja.

Yhtiö otti Xtant Medical Holdings -nimen vuonna 2000 ja julkaisi kirurgiset implantit vuonna 2006. Ne saivat huomiota, ja yhtiö listautui vuonna 2013. Se osti myös muita regeneratiivisen luututkimuksen yrityksiä, kuten X-spinen vuonna 2016.

Vuonna 2020 Xtant keskittyi selkärangan jälleenrakennukseen, jatkoi yritysostoja ja solmi strategisia kumppanuuksia. Sittemmin se on laajentunut takaisin muille regeneratiivisen luulääketieteen alueille.

Nykyään Xtant tunnetaan yhtenä maailman johtavista ortobiologian yrityksistä. Sillä on useita potilastuloksia parantavia tuotteita ja se investoi tehokkaampiin ratkaisuihin. Hyvämaineista lääkintäteknologiayhtiötä etsivän kannattaa tutkia sen tarjontaa.

Viimeisimmät Xtant Medical Holdings (XTNT) uutiset ja suorituskyky

Laserpainettujen luusiirteiden johtopäätös

On helppo ymmärtää tarve paremmille ratkaisuille vaikeista luuvammoista, kuten selkärankavammoista, kärsiville. Väestö ikääntyy ja vammat yleistyvät, joten työ voi luoda perustan nopeammalle ja luotettavammalle paranemiselle.

Lisätietoa muista hienoista kehityksistä Health-Tech -sektorilla täällä.

Lähteet

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. Vesiliukoinen PVA-makrotioli mahdollistaa kaksifoton mikrofabrikoinnin soluihin vuorovaikutteisten hydrogelirakenteiden 400 mm s−1 nopeudella. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}