레이저 인쇄된 뼈 이식물은 뼈 회復을 변혁시킬 수 있다

취리히 연방 기술大学(ETH Zurich)의 엔지니어 팀은 뼈 이식물을 생성하는 더 효율적이고 실용적인 방법을 공개했다. 그들의 접근 방식은 새로운 재료와 레이저 인쇄를 사용하여 더 빠른 회복과 더 낮은 위험을 가능하게 한다. 여기서 알아야 할 내용이 있다.

뼈 골절이 증가하는 이유

당신은 적어도 한 번은 뼈를 부러뜨린 사람을 알고 있을 것이다. 이러한 경험은 어린 시절의 사고에서부터 주요 외상을 포함하여 모든 경우에 적절한 의료 조치를 받도록 하여 뼈가 제대로 회복되도록 해야 한다.

불행히도, 뼈를 부러뜨린 사람들의 수가 전 세계적으로 꾸준히 증가하고 있다. 이는 노인 인구의 증가를 반영한다. 국제 골다공증 재단(IOF)의 보고서에 따르면, 지난 해에만 노인 중 3,700만 개의 취약한 골절이 보고되었으며, 이는 노인 인구와 함께 계속 증가할 것으로 예상된다.

뼈가 자연적으로 회복되는 방식

인간의 몸은 놀랍고, 뼈의 골절과 경미한 부상을 스스로 회복할 수 있다. 이 능력의 일부로서, 몸은 일시적인 부드러운 조직 세포를 손상된 부위에 배치한다. 이러한 임시 세포는 새 뼈가 성장하고 결국 단단해지도록 허용하는 가이드 역할을 한다.

이 성공의 일부는 뼈 전체에分布된 미세한 통로와 공간의 고유한 혼합으로 인한 것이다. 놀랍게도, 보고서에 따르면 한 쿼터보다 작은 작은 뼈 조각은 54킬로미터가 넘는 미세한 터널이 통과할 수 있다.

뼈 골절이 수술적 개입을 요구할 때

몸이 추가적인 의료 전문가의 도움 없이 회복할 수 없는 정도로 심각한 골절이 있는 경우가 있다. 특히, 심각한 복합 골절은 금속 핀과 임플란트를 통해 유지되는 환경이 필요하다.

또한, 종양을 제거하면 뼈의 일부가 결실할 수 있다. 의사들은 이 결실된 뼈 세그먼트를 채워서 뼈를 제대로 설정해야 한다. 어떤 경우에는 환자의 뼈를 사용하여 이식물을 만든다.

자가 이식물

자가 이식물은 의료 전문가들이这种 상황을 처리하는 가장 인기 있는 방법이다. 자가 이식물은 여러 형태로 나올 수 있으며, 가장 인기 있는 것은 환자의 뼈, 세라믹 또는 금속 옵션을 사용한다.

자가 이식물의 문제

자가 이식물은 회복 과정을 개선할 수 있지만, 그들自身에도 문제가 있다. 하나는, 이식물을 생성하기 위한 뼈 조직을 확보하기 위한 추가적인 수술이 필요하다는 것이다. 이 단계는 비용과 위험, 시간 지연, 추가 전문가의 필요성을 추가한다.

취리히 연방 기술대학의 레이저 인쇄된 뼈 이식물 혁신

과학 논문 “수용성 PVA 마크로티올은 400 mm s−1에서 세포 상호작용 하이드로겔 구조의 2광자 미세 구조화에 가능하다“는 새로운 접근 방식이 의료를 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

2광자 미세 구조화

더 나은 및 더 안정적인 이식물을 생성하기 위한 उनक의 작업을 수행하기 위해, 팀은 2광자 중합(2PP)이라는 방법을 사용했다. 원래는 조직 공학 및 약물 개발에서 사용되는 직접 레이저 쓰기 기술로, 펨토초 레이저 펄스를 사용한다.

이 작은 고강도 레이저는 특별한 광감작 재료를 경화시키기 위해 사용된다. 이 접근 방식의优势은 엔지니어가 하위 마이크론 수준의 해상도로 높은 해상도 3D 아키텍처를 개발할 수 있다는 것이다. 이는 취리히 연방 기술대학의 바이오재료 공학 교수인 Xiao-Hua Qin과 그의 팀의 관심을 끌었다.

새로운 하이드로겔이 필요했다

인간의 세포외 기질(ECM)을 모방하는 것은 쉽지 않다. 이는 전통적인 2PP 전략이 결핍한 일치할 수 없는 수준의 세부성을 필요로 한다. 그들은 이중 광자 레이저를 사용하면 광화학 반응을 정확하게 한 영역에 집중할 수 있음을 알았다. 이는 과거의 단일 레이저 접근 방식보다 더 많은 제어를 제공한다.

그러나, 젤은 형태를 만들거나 그 자리에서 유지하기에 충분히 강하지 않았다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 팀은 새로운 하이드로겔을 생성하기 위한焦点을 맞추었다.

주목할 점은, 현재의 2PP 공정은 (메타)아크릴화된 단백질을 포함하는 하이드로겔을 사용한다. 상업적인 수용성 티올 크로스링커들, 즉 디티오트레이톨은 일반적으로 사용된다. 이러한 단백질은 뼈 성장에 필요한 강한 크로스링킹 메커니즘을 지원하지 않는다.

Source – ETH Zurich

이 재료는 인간 뼈에 필요한 세부성을 지원할 수 없다. 또한, 그들이 이 재료를 사용하려고 했을 때, 구조적 결함의 높은 수를 등록했다. 전통적으로, 더 많은 중합체 농도를 추가하는 것이 옵션이었지만, 팀은 이 움직임에 반대했다.

PVA 티올 크로스링커 (PVASH)

엔지니어들은 자신의 목표를 달성하기 위해 완전히 새로운 하이드로겔을 개발하기로 결정했다. 수용성 폴리비닐 알코올 마크로 분자 티올 크로스링커 (PVASH) 하이드로겔은 특별한 분자로 안정적이고 비침습적으로 유지된다.

특히, 팀은 PVASH를 노보르넨 기능화된 PVA (nPVA)와 함께 혼합했다. 다음 단계는 레이저 공정이 올바르게 작동하도록 포토 이니시에이터를 추가하는 것이었다.

이 접근 방식의 주요 변경은 반응기 그룹을 여러 개 도입한다는 것이다. 이 전략은 젤이 레이저 복사선에 맞았을 때 더 빠르고 더 완전히 경화되도록 한다. 또한, 개발자들은 폴리머 체인을 연결하기 위한 하나의 분자와 광 반응을 보장하기 위한 다른 분자를 사용할 수 있게 되었다.

레이저 인쇄

레이저 인쇄의 사용은 자연스러운 뼈 구조를 달성할 수 있는 주요优势이다. 이러한 구조는 500 나노미터의 너비로 작은 세부 사항을 가질 수 있다. 특히, 팀은 이 작업을 위해 20 mW 레이저를 통합했다.

이 미세한 능력은 뼈 구조가 자연스러운 공동과 통로를 가질 수 있도록 한다. 또한, 이러한 설계는 사전 프로그래밍되어 400 밀리미터당 1초의 속도로 전달될 수 있다. 이 속도는 새로운 세계 기록을 나타내며, 또한 회복 속도를 높이는 데 대한 이 발전의 중요성을 보여준다.

마이크로 스캐폴드

재료는 인간 뼈의 복잡성을 복제할 수 있는 지점까지 가서 지연 없이 전통적인 회복 과정을 시작하는 세포가 시작한다. 세심하게, 마이크로 터널링과 통로의 마일은 건강한 세포 성장을 지원하고 끌어들이기 위한 완벽한 양의 접착력을 제공한다.

레이저 인쇄된 뼈 스캐폴드의 실험실 테스트

과학자들은 그들의 이론이 실제 상황에서держ될 수 있는지 확인하기 위해 여러 실험실 테스트를 수행했다. 주목할 점은, 시험관 연구가 빠른 세포 성장을 보여주었다.

특히, 하이드로겔은 사용자 정의 형태로 인쇄되었고, 며칠 내에, 몸은 콜라겐을 생성하기 시작했는데, 이는 뼈 성장의 가장 중요한 단계 중 하나이다. 엔지니어들은 또한 폴리머가 몸에 분해되는 방식을 평가하는 데 시간을 보냈으며, 이는 완전히 무해하다는 것을 알았다.

그들은 또한 그들의 하이드로겔과 티올-엔 크로스링킹 분자를 평가하는 데 시간을 보냈다. 그들은 그들의 성능이 예상보다 뛰어난 것을 알았으며, 더 짧은 시간에 손상된 조직에 강하고 자연스러운 수리를 생성했다.

레이저 인쇄된 뼈 이식물 테스트 결과

테스트 결과는 이 작업의 중요성을 강조한다. 과학자들은 모든 과정의 모든 측면에서 엄청난 개선을 등록할 수 있었다. 이식물을 성형하는 것에서, 세포가 이동하는 것에서, 그리고 마침내 스캐폴딩이 생분해되는 것까지, 연구자의 작업은 정확하고 자연스럽게 생성된 회복된 뼈 세포를 생성하여 정확했다.

레이저 인쇄된 뼈 이식물의优势

이 새로운 하이드로겔은 여러 가지优势를 제공한다. 하나는, 그것은 구조와 배치에 더 많은 유연성을 제공한다. 전통적인 하이드로겔에는 성형성이 없다. 추가적인 링크 분子的 추가는 더 많은 안정성을 생성하며, 개인의 필요에 따라 직접 성형할 수 있다.

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충실도

또 다른 주요优势는 이 접근 방식이 제공하는 추가적인 충실도이다. 새로운 PVASH 기반 하이드로겔은 엔지니어에게 미세한 수준에서 구조와 복잡성에 대한 더 많은 옵션을 제공한다.

환자 반응 개선

과학자들은 아직 실험실 테스트만을 수행했지만, 그들은 새로운 전략을 사용한 회복 과정에서 훨씬 적은 부기를 보았다. 부기가 줄어든 것은 하이드로겔이 생체 적합성이 때문에 몸의 세포가 더 쉽게 받아들이기 때문이다.

실제 적용 및 시간표:

이 발견의 실제 적용은 여러 산업을 통해 확장될 수 있다. 하나는, 의료 산업에서 뼈를 부러뜨린 환자의 비용과 회복 시간을 줄이는 데 도움이 될 수 있다는 것이다.

인공 임플란트

이 기술은 결국 더 실제적인 인공 임플란트를 생성할 수 있다. 이러한 인공 임플란트는 실제 신체 부위와 같은 모양과 감覚을 가질 수 있다. 이 기술은 이상적인 시나리오에서 세포 성장을 위해 기반을 마련하고 세포가 나머지를 수행하도록 할 수 있다.

로봇공학

로봇공학 시장도 이 기술을 사용하여 더 강하고 생체 기계적인 설계를 생성할 수 있다. 이러한 유닛은 생체 세포와 구조 및 기계 장치의 조합을 사용하여 더 효율적이고 능숙한 기계를 생성할 수 있다.

시간표

이 기술이 인간 사용에 충분히 성숙하기까지는 최소 10년이 걸릴 수 있다. 연구는 아직 초기 단계에 있으며, 지금까지 많은 성공에도 불구하고, 이 기술이 주류가 되기 전에 많은 과학적 및 규제적 장벽을 극복해야 한다.

레이저 인쇄된 뼈 이식물 연구자

취리히 연방 기술대학의 연구자들이 레이저 인쇄된 뼈 이식물 연구를 주도했다. 논문에는 Xiao-Hua Qin과 Ralph Müller가 주요 저자로 나열되어 있다. 그들은 Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang, Philipp Fisch의 지원을 받았다.

미래

레이저 인쇄된 뼈 이식물의 미래는まだ 결정되지 않았다. 기술은 합리적이며 많은 약속을 보여주었다. 그러나, 아직 많은 테스트를 완료해야 한다. 이미 과학자들은 다음 개발 단계를 촉진하기 위해 AO 연구소 다보스와의 전략적 제휴를 발표했다. 이 테스트의 결과에 따라, 연구는 인간 환자에게로 이동할 것이다.

헬스텍 혁신에 투자

헬스텍 부문에서 혁신을 주도하는 여러 회사들이 있다. 이러한 회사들은 이 중요한 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 상자 밖을 보는 의지를 보여주었다. 여기서 알아야 할 회사之一이다.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical Holdings는 1990년대 초 몬타나 주립 대학의 연구소에서 시작된 Bacterin International로 시작되었다. 이 프로젝트의 목표는 재생 의학 임플란트에 중점을 둔 더 나은 의료 관행을 연구하는 것이었다.

Xtant Medical Holdings는 2000년에 재 브랜드화되었으며, 2006년에 외과적 임플란트 라인을 출시했다. 이러한 제품은 많은 주목을 받았으며, 2013년에 성공적인 IPO를 주최했다. 同時に, 회사에서는 다른 재생 뼈 연구 회사들, 즉 X-spine을 2016年に 인수하기 시작했다.

2020년에, Xtant는 척추 재건에 대한 주목을 변경했다. 이 전략의 일부로서, 회사에서는 계속해서 다른 회사들을 인수하고 전략적 제휴를 형성했다. 그 때부터, 회사에서는 다른 재생 뼈 과학으로 확장했다.

오늘날, Xtant는 세계에서 가장 선도적인 정골 생물학 회사로 인정받고 있다. 회사에는 환자의 결과를 개선하기 위한 여러 가지 제품이 있으며, 더 효율적인 옵션을 생성하기 위해 계속 투자하고 있다. 이러한 신뢰할 수 있는 의료 기술 회사에 대한 더 많은 정보를 찾고 있는 사람들은 Xtant의 제공에 대한 더 많은 연구를 해야 한다.

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레이저 인쇄된 뼈 이식물 결론

어려운 뼈 부상, 즉 척수 외상을 가진 환자들을 위해 더 나은 해결책을 찾는 강한 추진력이 있는 이유를 이해하기 쉽다. 인구는 노화하고 있으며, 이러한 종류의 부상은 미래에 더 흔해질 것이다. 따라서, 이 작업은 더 빠르고 더 신뢰할 수 있는 회복 전략의 기초를奠定할 수 있다.

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참고문헌

^{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}