3D-printede stillaser for ryggmargsreparasjon

Mer enn 15 million mennesker verden over lever med ryggmargsskade. Bare i USA lider over 300,000 XNUMX mennesker av ryggmargsskade, ifølge National Spinal Cord Injury Statistical Center.

Til tross for disse tallene finnes det egentlig ingen måte å reversere skaden på. Men gitt den ødeleggende effekten ryggmargsskade har på pasienter og samfunnet, ser både forskere og selskaper aktivt etter effektive behandlinger.

Den globale tollen for ryggmargsskade (SCI)

Ryggmargsskade (SCI) er en svært svekkende tilstand som i alvorlig grad begrenser en persons evne til å utføre daglige aktiviteter. 

Det innebærer skade på ryggmargen, en sentral nervestruktur som strekker seg fra hjernen og ned til korsryggen. Som en nøkkeldel av sentralnervesystemet, ryggmargen bærer nervesignaler mellom hjernen og kroppen.

Dette lange, sylindriske røret laget av vev går i midten av ryggraden vår og er beskyttet av ryggvirvlene og tre lag med membraner. Men aktiviteter som fall, kjøreulykker og motorsykkel- og bilulykker kan forårsake skade på ryggmargen. 

Menn er oftere rammet av ryggmargsskade enn kvinner.

Avhengig av hvordan skaden påvirker ryggmargen og hvor skaden er plassert, kan det er organisert inn i cervikalcolumna (nakken), brystcolumna (øvre del av ryggen til under navlen), korsryggen (korsryggen) og korsryggen (rumpe til haleben).

Det er totalt 31 segmenter i den menneskelige ryggmargen, bestående av 8 cervikale, 12 thorakale, fem lumbale, fem sakrale og ett coccygealsegment. 

Når det gjelder alvorlighetsgrad, kan ryggmargsskaden være fullstendig, uten motorisk eller sensorisk funksjon under skadenivået, eller ufullstendig, der noe av funksjonen er bevart.

Enhver skade på ryggmargen kan påvirke bevegelse, funksjon og følelse. I tillegg til fysisk svekkelse kan personer med ryggmargsskade også oppleve mentale, emosjonelle og sosiale bivirkninger.

Et alvorlig tilfelle av ryggmargsskade kan forårsake lammelse, men død er også mulig. Personer med denne tilstanden dør ofte tidligere på grunn av utilstrekkelig tilgang til eller dårlig kvalitet på helsetjenester, og som sådan er dødeligheten på sykehus nesten tre ganger høyere i lav- og mellominntektsland enn i høyinntektsland.

Personer med ryggmargsskade har også risiko for å utvikle svekkende og til og med livstruende sekundære tilstander.

Selv om barn med denne tilstanden har mindre sannsynlighet for å begynne på skolen, og hvis de er påmeldt, har de mindre sannsynlighet for å avansere, har voksne med ryggmargsskade arbeidsledighet som overstiger 60 %. De lavere skole- og økonomisk deltakelsesratene medfører dermed betydelige individuelle så vel som samfunnsmessige kostnader. 

Effektive behandlinger er avgjørende for å lindre den globale byrden av ryggmargsskade.

Gjennombruddsbehandlinger for ryggmargsskader under utvikling

Forskere hele verden har jobbet med å finne måter å reparere ryggmargsskader. Studier som søker etter nye behandlinger pågår hele verden, åpner dører for forbedrede resultater etter disse skadene.

For bare et par måneder siden, i en banebrytende studie, utførte forskere utviklet et ultratynt implantat¹ som sitter rett på ryggmargen og leverer elektrisk strøm til den skadde delen, og etterligner naturlige signaler for å stimulere nervetilheling.

Når testet på rotter, gjenopprettet enheten bevegelse og berøringsfølelse uten å forårsake betennelse eller annen skade.

«I motsetning til et kutt i huden, som vanligvis leges av seg selv, regenererer ikke ryggmargen seg effektivt, noe som gjør disse skadene ødeleggende og for tiden uhelbredelige.»

– Ledende forsker Dr. Bruce Harland, seniorforsker ved Farmasøytisk fakultet ved Waipapa Taumata Rau, University of Auckland

Med implantatet sitt har teamet som mål å endre på dette. På lang sikt er ideen å gjøre det om til «et medisinsk utstyr som kan være til nytte for mennesker som lever med disse livsforandrende ryggmargsskadene».

I nok en studie i år, forskere viste imponerende restitusjonsrater for ryggmargsskader² ved å kombinere lukket sløyfe vagusnervestimulering (CLV) med individuell rehabilitering.

De elektriske pulsene blir sendt til hjernen gjennom en liten enhet som er implantert i nakken. Den er tidsbestemt å sende pulsene under rehabiliteringsøvelser. Stimulering av vagusnerven under fysioterapi har vist seg å omkoble hjerneområder som er skadet av hjerneslag og oppleve forbedret restitusjon.

Studien fungerte faktisk som en klinisk studie, der implantatet hjalp deltakere med kronisk, ufullstendig cervikal ryggmargsskade med å oppnå betydelig forbedring i arm- og håndstyrke.

Basert på mer enn et tiår langt bioingeniør- og nevrovitenskapelig arbeid ved UT Dallas, vil den nyeste tilnærmingen nå fortsette å overvinne den siste hindringen for potensiell FDA-godkjenning for behandling av svekkelse i øvre lemmer på grunn av ryggmargsskade.

I fjor deltok også et team av kirurger, nevroforskere og ingeniører fra University of Cambridge utviklet «wraparound»-implantater for å behandle ryggmargsskade³.

Som navnet antyder, vikler den tynne, bitte lille elektroniske enheten med høy oppløsning seg rundt ryggmargen, noe som muliggjør 360-graders opptak og stimulering av ryggmargen. Den kan også omgå en komplett ryggmargsskade der kommunikasjonen har blitt avbrutt.

Selv om en behandling for ryggmargsskader er langt unna, kan enheten hjelpe oss å bedre forstå denne lite studerte delen av menneskets anatomi på en ikke-invasiv måte, og dermed bidra til utviklingen av bedre terapier.

Enda en studie som brukte elektrisk stimulering for å behandle ryggmargsskade kom fra Royal College of Surgeons in Ireland (RCSI).

Dette detaljerte et 3D-printet implantat⁴ som etterligner strukturen til ryggmargen med et ultratynt, elektrisk ledende nett som gir målrettet stimulering til skadede områder, og fremmer vekst av nevroner og stamceller.

Laget klarte å forbedre sine enhetens effektivitet ved å justere fiberoppsettet, åpnes det opp muligheter for søknad innen ortopedisk, hjerte- og nevrologisk helbredelse.

I mellomtiden har forskere ved Rutgers University brukt AI og robotikk å behandle ryggmargsskade. De brukte teknologien til å formulere svært sensitive terapeutiske proteiner, slik at teamet klarte å stabilisere enzymet kondroitinase ABC (ChABC), som er kjent for å redusere arrvev som følge av ryggmargsskade og fremme vevsregenerering. 

Enzymet ChABC er ekstremt ustabilt ved normal kroppstemperatur (98.6 °C) og mister aktiviteten sin i løpet av bare noen få timer. Som et resultat er det ofte nødvendig med gjentatte høydoseinfusjoner for å opprettholde terapeutisk effekt. Syntetiske kopolymerer kan imidlertid omslutte enzymer og bidra til å stabilisere dem i ellers fiendtlige miljøer.

Forskerne brukte robotikk for væskehåndtering til å syntetisere og teste ulike kopolymerers evne for å stabilisere ChABC og opprettholde aktiviteten ved 98.6 ° F. De fant flere kopolymerer som var i stand til det, med én kopolymerkombinasjon som beholdt 30 % av enzymet i opptil en uke, et lovende resultat for ryggmargspasienter.

Nå har forskere ved University of Minnesota Twin Cities bygget et 3D-printet stillas med mikroskalakanaler som styrer stammen cellenes vekst inn arbeid nerveceller. Det fremmer aksonal vekst, cellemodning og dannelse av nevrale nettverk.

Teknikken har vellykket gjenopprettet bevegelse hos rotter med avskårne ryggmarger, og lover å transformere fremtidig behandling for mennesker med ryggmargsskader.

Sveip for å bla →

3D-printede stillaser for ryggmargsreparasjon

Selv om det har blitt gjort betydelige fremskritt innen klinisk behandling for å forbedre pasienters livskvalitet, fortsetter ryggmargsskader å forekomme. også, det finnes for øyeblikket ingen behandlinger tilgjengelig for it.

Gitt kompleksiteten ved ryggmargsskade, ville nye behandlingsalternativer være svært velkomne og gunstige for pasienter med ryggmargsskade.

Den nye studien rapporterer transplantasjon av regionalt spesifikke nevrale stamceller (sNPC-er) å være en viktig tilnærming for funksjonell gjenoppretting. Disse cellene har blitt vist å etablere fungerende forbindelser med nevrale kretser på tvers av det skadede området. 

Imidlertid i rekkefølge å maksimere de regenerativ kapasitet, er det ikke bare nødvendig å definere populasjoner av transplanterte celler og administrere regionalt spesifikke celler til det skadede området, men definere Virkningsmekanismen til disse cellene er også utfordrende. 

Selv om studier har vist funksjonelle fordeler ved ulike terapier, vil de ikke oversettes til kronisk ryggmargsskade fordi de hovedsakelig er nevrobeskyttende mekanismer ved akutte og subakutte skader. Det er ganske enkelt et behov for å forfølge nye strategier, i likhet med etablere en relémekanisme ved å integrere transplanterte celler i nevrale kretser. 

Ryggmargsorganoider er et ideelt substrat for dette prosjektet. De er tross alt strukturelt sett mest like ryggmargen. Her har bruken av 3D for transplantasjon av nevrale stamceller vist lovende resultater.

Du kan ikke egentlig injisere celler direkte inn i rommet i ryggmargen, da det gir utilstrekkelig strukturell støtte. Dette problemet kan bli adressert av 3D-printede stillaser, som ikke bare tilby strukturell støtte, men også gi biologisk og mekanisk veiledning for de celler. 

3D-utskriftsteknologier har også vist evnen til å lage cellebelastede stillaser som kan matche formen på lesjonsområdet, noe som potensielt forbedrer transplantat-vert-interaksjoner etter transplantasjon. 

Bruken av 3D-printede stillaser på organoider er imidlertid fortsatt i sin begynnelse.

Så, Forskere fra University of Minnesota laget 3D-printede organoidstillas fra ryggmargen by ved bruk av sNPC-er avledet fra menneskeinduserte pluripotente stamceller (iPSC), som har en tendens til å unngå immunavstøtning.

Studier har vist at PSC-avledede regionalt spesifikke sNPC-er kan opprettholde sin regionale spesifisitet etter transplantasjon. De fleste av disse cellene differensierer til nevroner for å erstatte tapte eller skadede celler, og dermed replikere ryggmargsvev. 

Når det gjelder materialet for trykking av stillaser, valgte teamet silikon, som er mye brukt i medisinske applikasjoner.  

Silikon er en syntetisk polymer som er utvunnet fra naturlige elementer. det som er kjent for sin høye biokompatibilitet og utmerket oksidasjonsmotstand. Den høye gasspermeabiliteten støtter i mellomtiden overlevelsen til oksygenkrevende celler.

Videre er det ikke-nedbrytbart av natur, noe som gjør silikon til et passende stillasmateriale for å dyrke trykte celler til organoider, ettersom det ikke faller fra hverandre. Forskningsteamet har også tidligere analysert silikonstillas i et kontrollert laboratoriemiljø.

Så, med det sagt, fortsatte teamet med å bygge 3D-bioprintede organoid silikonstillas av ryggmargsfibre for å fremme funksjonell gjenoppretting hos en rotte med en transektert ryggmarg. 

Bygg bro mellom håp og helbredelse med et funksjonelt rammeverk

I denne nye tilnærmingen har forskere ved University of Minnesota kombinert stamcellebiologi, laboratoriedyrket vev og 3D-printing for å helbrede ryggmargsskader.

Den innovative prosessen var detaljert i studien med tittelen 3D-printede stillaser fremmer forbedret spinal organoiddannelse for bruk ved ryggmargsskade⁵, Som ble nylig publisert i det fagfellevurderte vitenskapelige tidsskriftet Advanced Healthcare Materials.

Med den nye forskningen, de forskere tar for seg de stor utfordring med skaden, som er død av nerveceller og manglende evne til å vokse tilbake over skadestedet.

Det unike rammeverket for 3D-printing Det de har laget for organer som er dyrket i laboratoriet kalles det et organoid stillas. 3D-stillaset med mikroskalakanaler ble skrevet ut lag for lag mens sNPC-er var sette inn i mikrokanaler ved hjelp av et ekstruderingsbasert multimaterialtrykksystem.

sNPC-er er en type menneskelige stamceller som er programmert til å være spesifikke for den menneskelige ryggmargen, med mål om å bli brukt til fremtidige celleerstatningsterapier etter ryggmargsskade. Disse cellene deler seg og differensierer til spesifikke typer modne celler. 

I motsetning til hjerneavledede nevrale stamceller, integreres sNPC-er i vertsryggmargen og differensierer til nevroner, forming nevrale nettverk avgjørende for funksjonell gjenoppretting og gjenoppretting av forbindelser i eksisterende nevrale kretser. 

«Vi bruker de 3D-printede kanalene i stillaset til å styre veksten av stamcellene, noe som sikrer at de nye nervefibrene vokser på ønsket måte», sa studiens førsteforfatter, Guebum Han, en tidligere postdoktor i maskinteknikk ved University of Minnesota som for tiden jobber hos Intel Corporation. «Denne metoden skaper et relésystem som, når det plasseres i ryggmargen, omgår det skadede området.»

Forskerne testet rammeverket sitt på rotter for å sjekke levedyktigheten. Stillasene ble transplantert inn i rotter hvis ryggmarger var fullstendig kuttet, og cellene differensierte vellykket til nevroner.

Tolv uker etter transplantasjonen, mens de fleste cellene i stillasene differensierte til nevroner, strakte mange seg inn i vertscellens ryggmarg. Nervefibrene var strukket ut i rostral (mot hodet) så vel som caudal (mot halen) retning, og dannet nye forbindelser med vertscellens eksisterende nervekretser.

De nye nervecellene integrerte seg sømløst inn i rottens ryggmargsvev over tid, noe som førte til betydelig funksjonell gjenoppretting. Ifølge Ann Parr, professor i nevrokirurgi ved University of Minnesota:

«Regenerativ medisin har innledet en ny æra innen forskning på ryggmargsskader. Laboratoriet vårt er begeistret for å utforske det fremtidige potensialet til våre «mini-ryggmarger» for klinisk oversettelse.»

Forskningen er fortsatt i en innledende fase. Til tross for at den er tidlig, tilbyr den en potensiell ny og transformerende behandling for de med ryggmargsskader.

Forskerteamet er finansiert av Spinal Cord Society, National Institutes of Health og delstaten Minnesotas forskningsstipendprogram for ryggmargsskader og traumatiske hjerneskader, og har nå som mål å skalere opp produksjonen av teknologien sin.

I tillegg vil teamet fortsette å utvikle seg deres kombinasjon av teknologier: sNPC-er, organoidmontering og 3D-printingsstrategier for fremtidige kliniske anvendelser.

Investering i neste generasjons ryggmargsreparasjon

Et av verdens største medisinsk utstyrsselskaper, Medtronic plc (MDT -0.6%), har dyp ekspertise innen implantater, nevrale grensesnitt og FDA-godkjente enheter.

Den har også utviklet ryggmargsstimulatorer og nevromodulasjonsenheter for smerte og bevegelsesforstyrrelser.

Selskapets oppladbare enheter for ryggmargsstimulering (SCS) inkluderer Inceptiv og Intellis og den ladefrie Vanta. Disse små, komfortabel størrelse enheter tilbyr personlig smertelindring med lukket sløyfe-sensorteknologi og terapijusteringer basert på kroppsstilling, samtidig som brukerne kan ha MR-skanninger av hele kroppen.

Medtronics ikke-opioidbehandlingsalternativ er konstruert å lindre kroniske smerter ved å levere små elektriske pulser for å forstyrre smertesignaler før de når hjernen.

Medtronic plc (MDT -0.6%)

Tidligere i år publiserte selskapet data fra et år fra sin kliniske studie som evaluerte Inceptivs lukkede ryggmargsstimulator (CL-SCS) hos pasienter med leggsmerter og kroniske korsryggsmerter (CLBP). Dataene viste fordeler i å forbedre smerte, fysisk funksjon og livskvalitet, samtidig som overstimulering ble redusert.

Closed-loop-funksjonen registrerer hver persons unike biologiske signaler og justerer stimuleringen etter behov basert på det. 

Det globale helseforetaket med hovedkontor i Irland har som mål å lindre smerte, gjenopprette helse og forlenge livet gjennom teknologier og terapier som behandler 70 helsetilstander, inkludert insulinpumper, hjerteapparater, kirurgiske verktøy, kirurgisk robotikk, pasientovervåkingssystemer og ... mer.

Kardiologisegmentet er Medtronics kjernevirksomhet og står for 37 % av omsetningen, etterfulgt av nevrovitenskap, medisinsk kirurgi og annet, som primært innebærer diabetesbehandling.

Med en markedsverdi på 118 milliarder dollar handles MDT-aksjene for tiden til 92.36 dollar, en økning på 15.24 % hittil i år. Selskapet har en EPS (TTM) på 3.62 og en P/E (TTM) på 25.44. Medtronic tilbyr også aksjonærene et utbytte på 3.09 %.

Når det gjelder finans, rapporterte verdens største medtech-selskap målt i omsetning en økning i omsetning på 8.4 % til 8.6 milliarder dollar for første kvartal av regnskapsåret 2026, som ble avsluttet 25. juli 2025.

Dens GAAP-utvannede EPS var $ 0.81, og dens ikke-GAAP-utvannede EPS var $ 1.26.

Mens administrerende direktør Geoff Martha bemerket jevn organisk omsetningsvekst og styrke fra flere produktkategorier, delte finansdirektør Thierry Piéton tillit til å oppnå enda bedre resultater fremover ettersom Medtronic gjennomfører «effektiviseringer i produksjon, forsyningskjede og driftskostnader for å drive inntjeningsvekst og øke våre vekstinvesteringer i FoU, salg og markedsføring».

Denne måneden annonserte produsenten av medisinsk utstyr at de har ansatt to nye styremedlemmer i styret for å søke investeringsmuligheter og øke inntjeningsveksten. De har også opprettet en vekstkomité for å hjelpe med den svake aksjeutviklingen.

Nyeste Medtronic plc (MDT) Aksjenyheter og utvikling

Konklusjon

Ryggmargsskade er en forferdelig nevrologisk tilstand som kan føre til betydelig livslang funksjonsnedsettelse. Det er også en betydelig belastning for enkeltpersoner, familier og helsesystemer, noe som gjør det kritisk å finne bedre behandling og muligens reparere denne viktige delen av sentralnervesystemet vårt.

Med organoider, bioingeniørfag og 3D-printing takler forskere et av medisinens vanskeligste problemer. Selv om menneskelige terapier fortsatt er år unna, kan teknologien, når den først er skalert og realisert, hjelpe millioner med å komme seg og gjenvinne sin uavhengighet.

Referanser:

1. Harland, B., Matter, L., Lopez, S., et al. Daglig behandling med elektrisk felt forbedrer funksjonelle utfall etter thoraxkontusjon og ryggmargsskade hos rotter. Nature Communications, 16, 5372, publisert 26. juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60332-0
2. Kilgard, MP, Epperson, JD, Adehunoluwa, EA, et al. Lukket sløyfestimulering av vagusnerven hjelper til med rekonvalesens etter ryggmargsskade. Natur, 643, 1030–1036, publisert 21. mai 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09028-5
3. Woodington, BJ, Lei, J., Carnicer-Lombarte, A., Güemes-González, A., Naegele, TE, Hilton, S., El-Hadwe, S., Trivedi, RA, Malliaras, GG, & Barone, DG Fleksibel periferisk bioelektronikk for å muliggjøre 360 opptak av spiningXNUMX og stimulering av XNUMX cording. Vitenskap Fremskritt, 10(19), eadl1230, publisert 8. mai 2024. https://doi.org/10.1126/sciadv.adl1230
4. Woods, I., Spurling, D., Sunil, S., O'Callaghan, AM, Maughan, J., Gutierrez-Gonzalez, J., McGuire, TK, Leahy, L., Dervan, A., Nicolosi, V., & O'Brien, FJ 3D-printing av elektroledende MXene-baserte mikronett i et biomimetisk hyaluronsyrebasert stillas styrer og forbedrer elektrisk stimulering for nevrale reparasjonsapplikasjoner. Avansert vitenskap, eadvs.202503454, publisert 15. juli 2025. https://doi.org/10.1002/advs.202503454
5. Han, G., Lavoie, NS, Patil, N., Korenfeld, OG, Kim, H., Esguerra, M., Joung, D., McAlpine, MC, og Parr, AM. 3D-printede stillaser fremmer forbedret dannelse av spinale organoider for bruk ved ryggmargsskade. Avanserte helsevesenet materialer, eadhm.202404817, publisert 23. juli 2025. https://doi.org/10.1002/adhm.202404817