Gli innesti ossei stampati al laser potrebbero trasformare la guarigione delle ossa

Un team di ingegneri del Politecnico Federale di Zurigo ha svelato un metodo più efficiente e pratico per creare innesti ossei. Il loro approccio utilizza nuovi materiali e la stampa laser per consentire una produzione più rapida. recupero con meno rischi. Ecco cosa devi sapere.

Perché le fratture ossee sono in aumento

Probabilmente hai almeno conosciuto qualcuno che si è rotto un osso nel corso della sua vita. Sebbene queste esperienze possano spaziare da incidenti infantili a traumi gravi, richiedono tutte un qualche tipo di assistenza medica per garantire che l'osso sia integro. guarisce propriamente.

Purtroppo, il numero di persone che subiscono fratture ossee è in costante aumento a livello globale. Questo aumento riflette l'invecchiamento della popolazione dei baby boomer. I rapporti del... Fondazione Internazionale per l'Osteoporosi (IOF) mostrano che solo lo scorso anno sono state registrate oltre 37 milioni di fratture da fragilità tra gli anziani e si prevede che questa tendenza continuerà con l'invecchiamento della popolazione.

Come guariscono naturalmente le ossa

Il corpo umano è incredibile e può guarire da solo fratture e lesioni lievi. Come parte di questa capacità, distribuisce innanzitutto una varietà di cellule dei tessuti molli sulla zona danneggiata. Queste cellule temporanee agiscono come impalcature, consentendo alla nuova crescita ossea di prendere forma e infine indurirsi.

Parte di questo successo è dovuto alla combinazione unica di passaggi e spazi microscopici presenti in tutto l'osso. È impressionante come alcuni studi dimostrino che un minuscolo frammento osseo, più piccolo di un quarto di pollice, può essere attraversato da oltre 54 chilometri di tunnel microscopici.

Quando le fratture ossee richiedono un intervento chirurgico

Esistono scenari in cui la frattura è così grave che il corpo umano non è in grado di guarire la ferita senza l'assistenza aggiuntiva di operatori sanitari. Nello specifico, le fratture scomposte gravi richiedono una protesi fissata tramite perni e impianti metallici.

Inoltre, la rimozione di eventuali tumori può lasciare una porzione di osso mancante. I medici devono riempire questo segmento osseo mancante per sistemare correttamente l'osso. In alcuni casi, viene effettuato un innesto utilizzando l'osso del paziente.

Autoinnesti

Gli autoinnesti sono la soluzione più diffusa per affrontare questa situazione. Gli autoinnesti possono essere di diverse tipologie, ma i più diffusi sono quelli in osso prelevato dal paziente, in ceramica o in metallo.

Problemi con gli autoinnesti

Gli autoinnesti possono migliorare il processo di guarigione, ma non sono privi di problematiche. Innanzitutto, la procedura richiede un intervento chirurgico aggiuntivo per fissare il tessuto osseo da utilizzare per creare l'innesto. Questo passaggio aggiunge costi e rischi, oltre a ritardi e alla necessità di ricorrere a ulteriori professionisti.

La svolta dell'ETH di Zurigo nell'innesto osseo stampato al laser

L'articolo scientifico "Un macrotiolo PVA solubile in acqua consente la microfabbricazione a due fotoni di strutture idrogel interattive con le cellule a 400 mm s−1”¹ pubblicato su Advanced Materials mette in luce un approccio completamente nuovo che ha il potenziale di rivoluzionare l'assistenza sanitaria in futuro.

Microfabbricazione 2PP

Per realizzare il loro compito di creare innesti migliori e più stabili, il team ha preso in considerazione un metodo noto come Polimerizzazione a due fotoni (2PP)Sviluppata originariamente come tecnica di scrittura laser diretta utilizzata nell'ingegneria tissutale e nello sviluppo di farmaci, si basa su impulsi laser a femtosecondi.

Questi minuscoli laser ad alta intensità vengono utilizzati per indurire speciali materiali fotosensibili. Il vantaggio di questo approccio è che consente agli ingegneri di sviluppare architetture 3D ad alta risoluzione su scala (sub)micrometrica. È quest'ultima capacità ad aver catturato l'attenzione del Professore di Ingegneria dei Biomateriali presso l'ETH di Zurigo, Xiao-Hua Qin, e del suo team.

Era necessario un nuovo idrogel

Imitando il matrice extracellulare (ECM) di un essere umano non è un compito facile, poiché richiede un livello di complessità senza pari, di cui le tradizionali strategie 2PP erano prive. Hanno notato che l'uso di un laser a doppio fotone consente di focalizzare la reazione fotochimica esattamente su una singola area, offrendo un controllo molto maggiore rispetto agli approcci a laser singolo del passato.

Tuttavia, il gel non era abbastanza rigido da prendere forma né abbastanza reattivo da rimanere in posizione. Per risolvere questi problemi, il team si è concentrato sulla creazione di un nuovo idrogel.

In particolare, l'attuale forma di fabbricazione del 2PP utilizza idrogel contenenti proteine ​​(met)acrilate. Sono comunemente utilizzati reticolanti tiolici idrosolubili commerciali, come il ditiotreitolo. Queste proteine ​​sono prive dei forti meccanismi di reticolazione necessari per supportare la crescita ossea.

Fonte - Politecnico federale di Zurigo

Questo materiale non è in grado di supportare il livello di complessità richiesto per le ossa umane e, quando hanno tentato di utilizzarlo, hanno registrato un elevato numero di difetti strutturali. Tradizionalmente, l'aggiunta di maggiori concentrazioni di polimeri sarebbe stata l'opzione migliore, ma il team ha deciso di non farlo.

Reticolante tiolico PVA (PVASH)

Gli ingegneri hanno deciso che fosse meglio sviluppare un idrogel completamente nuovo per raggiungere i loro obiettivi. L'idrogel idrosolubile PVASH (polivinilalcol macromolecular thiol crosslinker) utilizza molecole specializzate per rimanere stabile e non invasivo.

Nello specifico, il team ha miscelato PVASH con PVA funzionalizzato con norbornene (nPVA) come prima parte della procedura. Il passaggio successivo ha previsto l'aggiunta di fotoiniziatori per garantire il corretto funzionamento del processo laser.

La principale novità di questo approccio è l'introduzione di più gruppi reattivi. Questa strategia fa sì che il gel si indurisca più rapidamente e in modo più completo quando viene colpito dalla radiazione laser. Ha inoltre permesso agli sviluppatori di utilizzare una molecola per legare la catena polimerica e l'altra per garantire la reazione luminosa.

Stampato al laser

L'uso della stampa laser rappresenta un importante vantaggio, consentendo agli ingegneri di realizzare strutture ossee naturali che spesso presentano dettagli di soli 500 nanometri di larghezza. Nello specifico, il team ha integrato un laser da 20 mW per questo scopo.

Questa capacità microscopica garantisce che le strutture ossee presentino cavità e percorsi naturali. Inoltre, questi progetti possono essere preprogrammati e realizzati alla straordinaria velocità di 400 millimetri al secondo. Questa velocità rappresenta un nuovo record mondiale, dimostrando al contempo l'importanza di questo progresso in termini di accelerazione del recupero dei pazienti.

Micro-impalcature

Il materiale sembra essere in grado di replicare la complessità dell'osso umano al punto che le cellule possono iniziare il tradizionale processo di guarigione senza ritardi. A quanto pare, i chilometri di tunnel e passaggi microscopici forniscono la perfetta aderenza per attrarre e supportare la crescita di cellule sane.

Test di laboratorio su impalcature ossee stampate al laser

Gli scienziati hanno condotto diversi test di laboratorio per verificare se la loro teoria potesse reggere in condizioni reali. In particolare, gli ingegneri sono rimasti entusiasti nel constatare che gli studi in provetta hanno mostrato una rapida crescita cellulare.

Nello specifico, l'idrogel è stato stampato nella formazione personalizzata e, nel giro di pochi giorni, il corpo ha iniziato a produrre collagene, uno dei passaggi più importanti nella crescita ossea. Gli ingegneri hanno anche impiegato questo tempo per registrare il modo in cui il polimero si disintegrava nel corpo, notando che è completamente innocuo.

Hanno quindi dedicato del tempo alla valutazione del loro idrogel e delle molecole di reticolazione tiolo-ene. Hanno notato che le loro prestazioni hanno superato le aspettative, creando una riparazione forte e naturale del tessuto danneggiato in un tempo inferiore rispetto ad altri metodi.

Risultati dei test sugli innesti ossei stampati al laser

I risultati dei test evidenziano l'importanza di questo lavoro per il settore sanitario. Gli scienziati sono stati in grado di registrare un enorme miglioramento in ogni aspetto del processo. Dalla modellazione dell'innesto, all'inserimento delle cellule, fino alla biodegradazione dell'impalcatura, il lavoro del ricercatore si è dimostrato accurato, creando cellule ossee guarite esattamente come quelle create naturalmente.

Vantaggi degli innesti ossei stampati al laser

Questo nuovo idrogel offre numerosi vantaggi. Innanzitutto, offre maggiore flessibilità in termini di struttura e posizionamento. Gli idrogel tradizionali non sono modellabili. L'aggiunta di ulteriori molecole di collegamento crea una stabilità molto maggiore, consentendo lo stampaggio diretto in base alle esigenze individuali.

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Fidelity

Un altro importante vantaggio da non sottovalutare è la maggiore fedeltà offerta da questo approccio. I nuovi idrogel a base di PVASH offrono agli ingegneri maggiori opzioni in termini di progettazione e complessità complessiva della struttura a livello microscopico.

Migliore risposta del paziente

Sebbene gli scienziati abbiano condotto solo studi di laboratorio, hanno notato che il processo di guarigione con la nuova strategia ha mostrato un gonfiore molto inferiore. La riduzione del gonfiore è dovuta alla biocompatibilità dell'idrogel, che è più facilmente accettabile dalle cellule del corpo rispetto alle opzioni in metallo o ceramica.

Applicazioni nel mondo reale e tempistiche:

L'applicazione pratica di questa scoperta può spaziare in diversi settori. Innanzitutto, il suo utilizzo più ovvio è nel settore sanitario, dove potrebbe contribuire a ridurre i costi e i tempi di recupero delle fratture ossee per i pazienti.

protesi

Questa tecnologia potrebbe in futuro essere utilizzata per creare protesi più realistiche, che assomigliano a parti del corpo reali per aspetto e consistenza, piuttosto che a protesi. La tecnologia potrebbe gettare le basi e consentire alla crescita cellulare di fare il resto, in uno scenario ideale.

Robotica

Anche il mercato della robotica potrebbe sfruttare questa tecnologia per creare progetti biomeccanici più robusti. Queste unità potrebbero sfruttare una combinazione di cellule e strutture viventi, insieme a dispositivi meccanici, per creare macchine più efficienti e performanti in futuro.

timeline

Potrebbero volerci almeno dieci anni prima che questa tecnologia sia sufficientemente matura per l'uso umano. La ricerca è ancora in una fase iniziale e, nonostante i notevoli successi ottenuti finora, ci sono ancora molti ostacoli scientifici e normativi da superare prima che questa tecnologia diventi di uso comune.

Ricercatori di innesti ossei stampati al laser

I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno guidato il Innesti ossei stampati al laser Studio. L'articolo riporta Xiao-Hua Qin e Ralph Müller come autori principali. Hanno ricevuto il supporto di Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang e Philipp Fisch.

Futuro

Il futuro degli innesti ossei stampati al laser è ancora da definire. La tecnologia ha senso e si è dimostrata molto promettente. Tuttavia, c'è ancora molta sperimentazione da completare, compresi gli studi sull'uomo.

Il prossimo passo sarà passare alla sperimentazione sugli animali. Gli scienziati hanno già annunciato una partnership strategica con Istituto di ricerca AO Davos per facilitare questa prossima fase di sviluppo. In base ai risultati di questo test, la ricerca passerà ai pazienti umani.

Investire nell'innovazione HealthTech

Sono diverse le aziende che continuano a guidare l'innovazione nel settore HealthTech. Queste aziende hanno dimostrato la volontà di guardare oltre gli schemi per trovare soluzioni a questo problema critico. Ecco un'azienda che rimane pioniera nel mercato e che vale la pena conoscere.

Partecipazioni mediche di Xtant

Xtant Medical Holdings è nata come Bacterin International presso il laboratorio della Montana State University nei primi anni '90. L'obiettivo del progetto era la ricerca di migliori pratiche mediche, con particolare attenzione agli impianti di medicina rigenerativa.

Xtant Medical Holdings ha cambiato nome nel 2000 e nel 2006 ha lanciato una linea di impianti chirurgici. Questi prodotti hanno suscitato grande interesse e nel 2013 l'azienda ha ottenuto un'IPO di successo. Contemporaneamente, nel 2016, l'azienda ha iniziato ad acquisire altre aziende di ricerca sulla rigenerazione ossea, come X-spine.

Nel 2020, Xtant ha concentrato la sua attenzione sulla ricostruzione della colonna vertebrale. Nell'ambito di questa strategia, ha continuato a effettuare acquisizioni e a stringere partnership strategiche. Da allora, l'azienda ha ripreso a espandersi in altre scienze ossee rigenerative.

Oggi, Xtant è riconosciuta come una delle aziende leader nel settore ortobiologico al mondo. L'azienda offre diversi prodotti progettati per migliorare i risultati clinici dei pazienti e continua a investire nella creazione di soluzioni più efficienti. Chi è alla ricerca di un'azienda med-tech affidabile dovrebbe approfondire l'offerta di Xtant.

Ultime notizie e performance di Xtant Medical Holdings (XTNT)

Conclusione sugli innesti ossei stampati al laser

È facile capire perché c'è una forte spinta a trovare una soluzione migliore per i pazienti che soffrono di lesioni ossee difficili come spinale Traumi. La popolazione sta invecchiando e questo tipo di lesioni diventeranno più comuni in futuro. Pertanto, questo lavoro potrebbe gettare le basi per strategie di guarigione più rapide e affidabili.

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Referenze

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, ME, Yang, X., Fisch, P., Müller, R. e Qin, XH Un macrotiolo PVA solubile in acqua consente la microfabbricazione a due fotoni di strutture idrogel interattive tra cellule a 400 mm s−1. Materiali avanzati, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}