3D‑skrivna scaffoldar för ryggmärgsreparation

Mer än 15 miljoner människor världen över lever med ryggmärgsskada (SCI). Enbart i USA lider över 300 000 personer av SCI, enligt National Spinal Cord Injury Statistical Center.

Trots dessa siffror finns det egentligen inget sätt att vända skadan. Men med tanke på den förödande effekten SCI har på patienter och samhället, söker forskare och företag aktivt efter effektiva behandlingar.

Den globala bördan av ryggmärgsskada (SCI)

Ryggmärgsskada (SCI) är ett mycket försvagande tillstånd som kraftigt begränsar en persons förmåga att utföra dagliga aktiviteter. 

Det innebär skada på ryggmärgen, en central nervstruktur som sträcker sig från hjärnan ner till nedre delen av ryggen. Som en viktig del av det centrala nervsystemet, transporterar ryggmärgen nervsignaler mellan hjärnan och kroppen.

Den långa, cylindriska röret av vävnad löper i mitten av vår ryggrad och skyddas av kotorna och tre membranlager. Men aktiviteter som fall, trafikolyckor samt motorcykel- och bilkrascher kan orsaka skada på ryggmärgen. 

Män drabbas oftare av ryggmärgsskada än kvinnor.

Beroende på hur skadan påverkar ryggmärgen och var den är placerad, indelas den i cervikalryggrad (nacken), thorakalryggrad (övre rygg till under navel), lumbalryggrad (nedre rygg) och sacralryggrad (rumpa till svanskota).

Det finns totalt 31 segment i den mänskliga ryggmärgen, bestående av 8 cervikala, 12 thorakala, fem lumbala, fem sakrala och ett coccygeala segment. 

När det gäller svårighetsgrad kan ryggmärgsskadan vara komplett, utan motorisk eller sensorisk funktion under skadestället, eller ofullständig, där viss funktion bevaras.

Alla skador på ryggmärgen kan påverka vår rörelse, funktion och känsel. Förutom fysisk funktionsnedsättning kan personer med SCI också uppleva mentala, emotionella och sociala biverkningar.

Ett allvarligt fall av SCI kan leda till förlamning, men döden är också möjlig. Personer med detta tillstånd dör ofta tidigare på grund av otillräcklig tillgång till eller dålig kvalitet på sjukvården, och deras sjukhusdödsfrekvens är nästan tre gånger högre i låg- och medelinkomstländer jämfört med höginkomstländer.

Personer med ryggmärgsskada löper också risk att utveckla försvagande och till och med livshotande sekundära tillstånd.

Medan barn med detta tillstånd är mindre benägna att börja skolan, och om de är inskrivna, mindre benägna att gå vidare, har vuxna med SCI arbetslöshetsnivåer som överstiger 60 %. De lägre skol- och ekonomiska deltagandegraderna medför därför betydande individuella såväl som samhälleliga kostnader. 

Effektiva behandlingar är avgörande för att lindra den globala bördan av SCI.

Banbrytande behandlingar för ryggmärgsskada under utveckling

Forskare runt om i världen har arbetat med att hitta sätt att reparera ryggmärgsskador. Studier som söker nya behandlingar pågår över hela världen, vilket öppnar dörrar till förbättrade resultat efter dessa skador.

För bara ett par månader sedan, i en banbrytande studie, utvecklade forskare ett ultratunt implantat¹ som sitter direkt på ryggmärgen och levererar elektriska strömmar till den skadade delen, vilket efterliknar naturliga signaler för att stimulera nervläkning.

När testat på råttor, återställde enheten rörelse och känsel utan att orsaka inflammation eller annan skada.

“Till skillnad från ett hudsnitt, som vanligtvis läker av sig själv, regenererar ryggmärgen inte effektivt, vilket gör dessa skador förödande och för närvarande obotliga.”

– Huvudforskare Dr Bruce Harland, senior forskningsstipendiat vid School of Pharmacy, Waipapa Taumata Rau, University of Auckland

Med sitt implantat vill teamet förändra detta. På lång sikt är tanken att göra det till “en medicinsk enhet som kan gynna personer som lever med dessa livsförändrande ryggmärgsskador.”

I ännu en studie i år demonstrerade forskare imponerande återhämtningsgrader för SCI² genom att kombinera sluten-loop vagusnervstimulering (CLV) med individualiserad rehabilitering.

De elektriska pulserna sänds till hjärnan via en liten enhet som är implanterad i nacken. Den tidas för att skicka pulserna under rehabiliteringsövningar. Stimulering av vagusnerven under fysioterapi har visat sig omkoppla hjärnområden som skadats av stroke och förbättra återhämtning.

Studien fungerade faktiskt som ett kliniskt försök, där implantatet hjälpte deltagare med kronisk, ofullständig cervikal SCI att uppnå meningsfull förbättring i arm- och handstyrka.

Baserat på mer än ett decennium av bioingenjörs- och neurovetenskapliga insatser vid UT Dallas, kommer den senaste metoden nu att gå vidare för att övervinna det sista hindret för potentiellt FDA‑godkännande för behandling av överarmsförlamning på grund av SCI.

Förra året utvecklade ett team av kirurger, neuroforskare och ingenjörer från University of Cambridge också ‘wraparound’-implantat för att behandla SCI³.

Som namnet antyder, omsluter den tunna, lilla, högupplösta elektroniska enheten ryggmärgen, möjliggör 360‑graders inspelning och stimulering av ryggmärgen. Den kan också kringgå en komplett SCI där kommunikationen har brutits.

Även om en behandling för ryggmärgsskador är långt borta, kan enheten hjälpa oss att bättre förstå denna understuderade del av människans anatomi på ett icke‑invasivt sätt, och i sin tur underlätta utvecklingen av bättre terapier.

Ytterligare en studie som använder elektrisk stimulering för att behandla SCI kom från Royal College of Surgeons i Irland (RCSI).

Denna detaljerade ett 3D‑skrivet implantat⁴ som efterliknar ryggmärgens struktur med ett ultratunt, elektriskt ledande nät som levererar riktad stimulering till skadade områden, vilket främjar neuron- och stamcellstillväxt.

Teamet kunde förbättra enhetens effektivitet genom att justera fibermönstret, vilket öppnar möjligheter för tillämpning inom ortopedi, kardiologi och neurologisk läkning.

Samtidigt har forskare vid Rutgers University använt AI och robotik för att behandla SCI. De använde tekniken för att formulera mycket känsliga terapeutiska proteiner, vilket gjorde att teamet framgångsrikt kunde stabilisera enzymet Chondroitinase ABC (ChABC), som är känt för att minska ärrvävnad som uppstår vid SCI och främja vävnadsregenerering. 

Enzymen ChABC är extremt instabil vid normal mänsklig kroppstemperatur (98,6 °F), och förlorar sin aktivitet redan efter några timmar. Därför krävs ofta upprepade högdosinfusioner för att upprätthålla terapeutisk nytta. Syntetiska kopolymerer kan dock omsluta enzymer och hjälpa till att stabilisera dem i annars ogynnsamma miljöer.

Forskarna använde robotik för vätskehantering för att syntetisera och testa olika kopolymerers förmåga att stabilisera ChABC och behålla aktiviteten vid 98,6 °F. De fann flera kopolymerer som kunde göra detta, där en kombination behöll 30 % av enzymet i upp till en vecka, ett lovande resultat för SCI‑patienter.

Nu har forskare vid University of Minnesota Twin Cities byggt ett 3D‑skrivet scaffold med mikroskala kanaler som styr stamcellers tillväxt till funktionella nervceller. Det främjar axonell tillväxt, cellmognad och bildning av neuronala nätverk.

Tekniken har framgångsrikt återställt rörelse hos råttor med avskurna ryggmärgar, vilket lovar att omvandla framtida behandling för människor med ryggmärgsskador.

Svep för att rulla →

3D‑skrivna scaffoldar för reparation av ryggmärgen

Trots betydande framsteg inom klinisk hantering för att förbättra patienters livskvalitet fortsätter ryggmärgsskador att inträffa. Dessutom finns det för närvarande inga behandlingar tillgängliga för det.

Med tanke på komplexiteten i ryggmärgsskador skulle nya behandlingsalternativ vara mycket välkomna och fördelaktiga för patienter med SCI.

Den nya studien rapporterar transplantation av regionellt specifika neurala progenitorceller (sNPCs) som ett avgörande tillvägagångssätt för funktionell återställning. Dessa celler har visat att etablera fungerande kopplingar med neurala kretsar över det skadade området. 

Dock, för att maximera den regenerativa kapaciteten, är det inte bara nödvändigt att definiera populationer av transplanterade celler och administrera regionellt specifika celler till det skadade området, utan att definiera verkningsmekanismen för dessa celler är också en utmaning. 

Medan studier har visat funktionella fördelar med olika terapier, kommer de inte att översättas till kronisk SCI eftersom de främst är neuroprotektiva mekanismer i akuta och subakuta skador. Det finns enkel ett behov av att driva nya strategier, såsom att etablera en relämekanism genom att integrera transplanterade celler i den neurala kretsen. 

Ryggmärgsorganoider är ett idealiskt substrat för detta projekt. De är, trots allt, mest strukturellt lika ryggmärgen. Här har användningen av 3D för neural stamcellstransplantation visat lovande resultat.

Man kan inte riktigt injicera celler direkt i ryggmärgens utrymme, eftersom det ger otillräckligt strukturellt stöd. Detta problem kan lösas med 3D‑skrivna scaffoldar, som inte bara erbjuder strukturellt stöd utan också ger biologisk och mekanisk vägledning för cellerna. 

3D‑tryckteknologier har också visat förmågan att skapa cell‑laddade scaffoldar som kan matcha formen på lesionens område, vilket potentiellt förbättrar graft‑värdinteraktioner efter transplantation. 

Tillämpningen av 3D‑skrivna scaffoldar på organoider är dock fortfarande i sin linda.

Så, forskarna från University of Minnesota skapade 3D‑skrivna ryggmärgsorganoid‑scaffoldar genom att använda mänskliga inducerade pluripotenta stamceller (iPSC)-deriverade sNPCs, som tenderar att undvika immunavstötning.

Studier har visat att PSC‑deriverade regionellt specifika sNPCs kan behålla sin regionala specificitet efter transplantation. Majoriteten av dessa celler differentierar till neuroner för att ersätta förlorade eller skadade celler, vilket replikar ryggmärgsvävnad. 

När det gäller materialet för att skriva scaffoldar, valde teamet silikon, som är allmänt använt i medicinska tillämpningar.  

Derivat från naturliga element, är silikon en syntetisk polymer som är känd för sin höga biokompatibilitet och utmärkta oxidationsresistens. Dess höga gaspermeabilitet stödjer samtidigt överlevnaden av syrekrävande celler.

Dessutom är den icke‑nedbrytbara till sin natur, vilket gör silikon till ett lämpligt scaffold‑material för att odla tryckta celler till organoider, eftersom det inte faller sönder. Forskarteamet har också tidigare analyserat silikon‑scaffoldar i en kontrollerad laboratoriemiljö.

Så, med det, byggde teamet 3D‑bioprintade ryggmärgsorganoid‑silicon‑scaffoldar för att främja funktionell återhämtning i en råtta med avskuren ryggmärg. 

Överbrygga klyftan mellan hopp och läkning med ett funktionellt ramverk

I detta nya tillvägagångssätt har forskare vid University of Minnesota kombinerat stamcellbiologi, laboratorieodlade vävnader och 3D‑utskrift för att läka ryggmärgsskador.

Den innovativa processen beskrevs i studien med titeln 3D‑Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury⁵, som nyligen publicerades i den peer‑reviewade vetenskapliga tidskriften Advanced Healthcare Materials.

Med den nya forskningen tar forskarna itu med den stora utmaningen med skadan, nämligen döden av nervceller och oförmågan hos nervfibrer att växa tillbaka över skadestället.

Det unika 3D‑utskriftsramverket som de har skapat för organ som odlas i laboratoriet benämns ett organoid‑scaffold. 3D‑scaffolden med mikroskala kanaler skrevs lager‑för‑lager medan sNPCs placerades i mikrokanaler med ett extruderings‑baserat multimaterial‑skrivsystem.

sNPCs är en typ av mänsklig stamcell som är programmerad att vara specifik för den mänskliga ryggmärgen, med målet att användas för framtida cell‑ersättningsbehandlingar efter ryggmärgsskada. Dessa celler delar och differentierar till specifika typer av mogna celler. 

Till skillnad från hjärn‑deriverade neurala stamceller integreras sNPCs i värdens ryggmärg och differentierar till neuroner, bildar neurala nätverk viktiga för funktionell återhämtning och återställning av anslutningar inom befintliga neurala kretsar. 

“Vi använder de 3D‑skrivna kanalerna i scaffolden för att styra stamcellernas tillväxt, vilket säkerställer att de nya nervfibrerna växer på önskat sätt,” sade studiens försteförfattare, Guebum Han, en tidigare postdoktoral forskare i maskinteknik vid University of Minnesota som för närvarande arbetar på Intel (INTC ) Corporation. “Denna metod skapar ett reläsystem som, när det placeras i ryggmärgen, kringgår det skadade området.”

Forskarna testade sitt ramverk på råttor för att kontrollera dess livskraft. Scaffoldarna transplanterades i råttor vars ryggmärgar var helt avskurna, och cellerna differentierade framgångsrikt till neuroner.

Vid tolv veckor efter transplantation, medan de flesta celler inom scaffoldarna differentierade till neuroner, sträckte många sig in i värdens ryggmärg. Nervfibrerna sträcktes både rostralt (mot huvudet) och caudalt (mot svansen), och bildade nya anslutningar med värdens befintliga nervkretsar.

De nya nervcellerna integrerades sömlöst i råttans ryggmärvsvävnad över tid, vilket ledde till betydande funktionell återhämtning. Enligt Ann Parr, professor i neurokirurgi vid University of Minnesota:

“Regenerativ medicin har inlett en ny era i forskning om ryggmärgsskador. Vårt laboratorium är exalterat över att utforska framtida potential för våra ‘mini‑ryggmärgar’ för klinisk översättning.”

Forskningen är fortfarande i ett preliminärt skede, dock. Trots att den är tidig erbjuder den en potentiell ny och transformerande behandling för dem med ryggmärgsskador.

Finansierad av Spinal Cord Society, National Institutes of Health och State of Minnesota Spinal Cord Injury and Traumatic Brain Injury Research Grant Program, siktar forskarteamet nu på att skala upp produktionen av sin teknik.

Dessutom kommer teamet att fortsätta utveckla sin kombination av teknologier: sNPCs, organoid‑sammanställning och 3D‑utskriftsstrategier för framtida kliniska tillämpningar.

Investera i nästa generations ryggmärgsreparation

Ett av världens största medicinteknikföretag, Medtronic plc (MDT ), har djup expertis inom implantat, neurala gränssnitt och FDA‑godkända enheter.

Det har också utvecklat ryggmärgsstimulatorer och neuromodulationsenheter för smärta och rörelsestörningar.

Företagets uppladdningsbara ryggmärgsstimulering (SCS)‑enheter inkluderar Inceptiv och Intellis samt den uppladdningsfria Vanta. Dessa små, komfortabla enheter erbjuder personlig smärtlindring med sluten‑loop‑sensorteknik och terapijusteringar baserade på kroppens position, samtidigt som användarna kan genomföra full‑kropps‑MRI‑skanningar.

Medtronics icke‑opioida behandlingsalternativ är konstruerat för att lindra kronisk smärta genom att leverera små elektriska pulser för att störa smärtsignaler innan de når hjärnan.

Medtronic plc (MDT )

Tidigare i år släppte företaget ett årsdata från sin kliniska prövning som utvärderade Inceptivs sluten‑loop‑ryggmärgsstimulator (CL‑SCS) hos patienter med bensmärta och kronisk ländryggssmärta (CLBP). Data visade fördelar i smärtlindring, fysisk funktion och livskvalitet samt minskad overstimulering.

Den sluten‑loop‑funktionen känner av varje persons unika biologiska signaler och justerar stimuleringen efter behov. 

Det Irland‑baserade globala hälsoföretaget syftar till att lindra smärta, återställa hälsa och förlänga livet genom sina teknologier och terapier som behandlar 70 hälsotillstånd, inklusive insulinpumpar, hjärtanordningar, kirurgiska verktyg, kirurgisk robotik, patientövervakningssystem och mer.

Kardiologisegmentet är Medtronics kärnverksamhet och står för 37 % av intäkterna, följt av neurovetenskap, medicinsk kirurgi och övrigt, som främst involverar diabetesbehandling.

Med en börsvärde på 118 miljarder dollar handlas MDT‑aktier för närvarande till 92,36 $, upp 15,24 % YTD. Företaget har ett EPS (TTM) på 3,62 och ett P/E (TTM) på 25,44. Medtronic erbjuder också sina aktieägare en utdelningsavkastning på 3,09 %.

När det gäller finanserna rapporterade det största medtech‑företaget i världen efter intäkter en ökning på 8,4 % i intäkter till 8,6 miljarder dollar för första kvartalet av räkenskapsåret 2026, som avslutades den 25 juli 2025.

Dess GAAP‑utspädda EPS var 0,81 $, och dess icke‑GAAP‑utspädda EPS var 1,26 $.

Medan VD Geoff Martha noterade konsekvent organisk intäktstillväxt och styrka från flera produktkategorier, delade CFO Thierry Piéton sin förtroende för att uppnå ännu bättre resultat framöver när Medtronic genomför “effektiviseringar i tillverkning, leveranskedja och driftskostnader för att driva vinsttillväxt, samt öka våra tillväxtinvesteringar i F&U, försäljning och marknadsföring.

Denna månad meddelade medicinteknikstillverkaren tillsättningen av två nya styrelseledamöter för att söka investeringsmöjligheter och öka vinsttillväxten. Det har också etablerat en Tillväxtkommitté för att hjälpa den eftersläpande aktieprestationen.

Senaste nyheter och utveckling för Medtronic plc (MDT) aktier

Slutsats

Ryggmärgsskada är ett förödande neurologiskt tillstånd som kan leda till betydande livslång funktionsnedsättning. Det är också en betydande börda för individer, familjer och sjukvårdssystem, vilket gör det kritiskt att hitta bättre behandlingar och eventuellt reparera denna nyckeldel av vårt centrala nervsystem.

Med organoider, bioengineering och 3D‑utskrift tar forskare itu med ett av medicinens svåraste problem. Även om mänskliga terapier fortfarande är flera år borta, kan teknologin, när den skalas och realiseras, hjälpa miljontals att återhämta sig och återfå sin självständighet.

Referenser:

1. Harland, B., Matter, L., Lopez, S., et al. Daily electric field treatment improves functional outcomes after thoracic contusion spinal cord injury in rats. Nature Communications, 16, 5372, publicerad 26 juni 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60332-0
2. Kilgard, M.P., Epperson, J.D., Adehunoluwa, E.A., et al. Closed-loop vagus nerve stimulation aids recovery from spinal cord injury. Nature, 643, 1030–1036, publicerad 21 maj 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09028-5
3. Woodington, B.J., Lei, J., Carnicer-Lombarte, A., Güemes-González, A., Naegele, T.E., Hilton, S., El-Hadwe, S., Trivedi, R.A., Malliaras, G.G., & Barone, D.G. Flexible circumferential bioelectronics to enable 360-degree recording and stimulation of the spinal cord. Science Advances, 10(19), eadl1230, publicerad 8 maj 2024. https://doi.org/10.1126/sciadv.adl1230
4. Woods, I., Spurling, D., Sunil, S., O’Callaghan, A.M., Maughan, J., Gutierrez-Gonzalez, J., McGuire, T.K., Leahy, L., Dervan, A., Nicolosi, V., & O’Brien, F.J. 3D-printing of electroconductive MXene-based micro-meshes in a biomimetic hyaluronic acid-based scaffold directs and enhances electrical stimulation for neural repair applications. Advanced Science, eadvs.202503454, publicerad 15 juli 2025. https://doi.org/10.1002/advs.202503454
5. Han, G., Lavoie, N.S., Patil, N., Korenfeld, O.G., Kim, H., Esguerra, M., Joung, D., McAlpine, M.C., & Parr, A.M. 3D-printed scaffolds promote enhanced spinal organoid formation for use in spinal cord injury. Advanced Healthcare Materials, eadhm.202404817, publicerad 23 juli 2025. https://doi.org/10.1002/adhm.202404817