Hjärt- och kärlsjukdomar är en ledande dödsorsak i Nordamerika – 3D-utskrift kan förändra detta

Hjärt- och kärlsjukdomar orsakar miljontals dödsfall världen över varje år. Forskare har utvecklat en ny metod för att tillverka konstgjorda blodkärl som på sikt skulle kunna förbättra bypassoperationer. Tekniken har undersökts i laboratoriet och behöver ytterligare prövning innan den kan användas på patienter.

Hjärt- och kärlsjukdomar – Statistik

Hjärt- och kärlsjukdomar hör till de vanligaste dödsorsakerna i USA och globalt. Riskfaktorer omfattar bland annat tobaksbruk, ohälsosam kost, skadlig alkoholkonsumtion och luftföroreningar. Risken påverkas också av exempelvis blodtryck och andra individuella faktorer.

Behandling av hjärt- och kärlsjukdomar idag

Stora forskningsinsatser ägnas åt att behandla hjärt- och kärlsjukdomar. Vid vissa tillstånd behövs en bypassoperation. Ett kärltransplantat skapar då en ny väg för blodet runt en förträngning. Beroende på ingreppet används patientens egna kärl eller ett syntetiskt alternativ; det är inte alltid en konstgjord ven.

Att tillverka kärltransplantat med egenskaper som liknar naturliga blodkärls är en långvarig forskningsutmaning. Extruderingsbaserad bioprintning kan forma hydrogel till rör och kanaler, men materialens mekaniska egenskaper begränsar användningen.

Bland utmaningarna finns hållfasthet, hållbarhet och förmåga att behålla formen. Mjuka hydrogeler kan deformeras eller kollapsa. Forskargruppen undersökte därför en kombination av utskrift och fiberförstärkning för att förbättra laboratorietillverkade kärltransplantat.

Studiedetaljer

Studien ”Fabrication of a Compliant Vascular Graft Using Extrusion Printing and Electrospinning Techniques” undersöker hur extruderingsutskrift och elektrospinning kan kombineras för att framställa följsamma kärltransplantat med liten diameter och bättre mekaniska egenskaper.

Elektrospinningsteknik

Forskarna förstärkte 3D-utskrivna kärltransplantat av gelatinmetakryloyl, GelMA, med elektrospunna fibrer. Elektrospinning är en etablerad teknik där ett elektriskt fält drar ut mycket tunna fibrer ur en polymerlösning. Det nya låg i kombinationen och utformningen av tillverkningsprocessen.

Källa – Advanced Materials Technologies

Metoden gav kärlstrukturer med jämn väggtjocklek. Fiberlagret utformades för att efterlikna delar av vävnadens extracellulära matrix. En vertikal roterande dorn kombinerades med två elektrospinningshuvuden och ett extruderingshuvud som tillförde förvärmd GelMA-hydrogel.

Dornen roterade med 20 varv per minut och hydrogelen matades genom en konisk 18 G-spets med ett flöde på 0,22 milliliter per minut. GelMA framställs genom modifiering av gelatin med metakrylsyraanhydrid. Materialet bereddes i en buffrad lösning och härdades genom ljusinducerad tvärbindning. Ett balanserat pH ersätter inte denna kemiska härdningsprocess.

Nanofibrer

Efter härdningen förstärktes GelMA-strukturen med ett lager nanofibrer. Fibrerna tillverkades av blandningar av polykaprolakton (PCL) och poly(L-laktid-co-ε-kaprolakton) (PLCL). De gav mekaniskt stöd åt kärlet. De är syntetiska polymerfibrer, inte naturliga muskelfibrer.

Testning av de nya metoderna

Forskarna undersökte bland annat materialets reologi, draghållfasthet och trycktålighet. En Kinexus Ultra+-reometer med parallella, sandblästrade plattor på 40 millimeter användes för reologiska mätningar.

Bristningstryck

Bristningstrycket visar hur högt inre tryck en kärlstruktur kan tåla innan den går sönder. Detta är viktigt eftersom ett kärltransplantat måste klara belastningen i cirkulationssystemet. Forskarna utförde tryckprov och mekaniska prov, däribland tester med en Instron 3367. Olika prov mäter olika egenskaper och ska inte likställas med en fullständig simulering av hjärtats arbete.

Draghållfasthet

Strukturerna undersöktes i både längdriktningen och omkretsriktningen. Fiberförstärkningen skulle motverka deformation och förbättra hållfastheten jämfört med enbart hydrogel. Resultaten visade förbättrade mekaniska egenskaper under laboratoriets provförhållanden.

Cytotoxicitet

Forskarna undersökte också om materialet hade skadliga effekter på celler. Sådana cytotoxicitetstester ger information om biokompatibilitet, men visar inte i sig att ett implantat inte kommer att avstötas eller orsaka komplikationer i kroppen.

Testresultat – Hjärt- och kärlsjukdomar

Resultaten visade att kombinationen av GelMA och fiberförstärkning kunde ge användbara mekaniska egenskaper för konstgjorda kärltransplantat. Jämförelser med naturliga blodkärl är lovande, men laboratorieresultat visar ännu inte klinisk säkerhet eller effektivitet.

Fördelar med studien om hjärt- och kärlsjukdomar

Möjligheten att tillverka följsamma och hållfasta kärltransplantat kan på sikt bidra till bättre behandlingsalternativ. Efterfrågan på hjärt- och kärlvård är stor. Patientnyttan med just denna teknik måste dock prövas i ytterligare studier.

Lägre kostnader

En mer enhetlig tillverkningsprocess skulle kunna förenkla produktionen av kärltransplantat. Om tekniken kan skalas upp kan den också påverka kostnaderna. Studien visar däremot inte att bypassoperationer redan blivit billigare eller bättre för patienter.

Vaskulära graft med liten diameter

Ett mål är att tillverka kärltransplantat med liten diameter och tillräcklig mekanisk stabilitet. Förstärkningen förbättrade de utskrivna strukturernas egenskaper. Klinisk användning kräver även att bland annat blodkompatibilitet och långsiktig funktion utvärderas.

Längre graft

Jämn väggtjocklek och fiberförstärkning kan också vara värdefulla för längre kärlstrukturer. Mjuka rör riskerar annars att deformeras under belastning. Metoden kan stödja fortsatt utveckling av längre transplantat, men den har inte visats eliminera alla risker eller redan rädda liv.

Forskare inom hjärt- och kärlsjukdomar

Studien genomfördes av forskare vid University of Edinburgh, i samarbete med Heriot-Watt University. Författarna omfattar Faraz Fazal, Ferry P. W. Melchels, Andrew McCormack, Andreia F. Silva, Ella-Louise Handley, Nurul Ain Mazlan, Anthony Callanan, Vasileios Koutsos och Norbert Radacsi.

Företag som kan utnyttja studien om hjärt- och kärlsjukdomar

Medicintekniska företag kan ha kompetens som är relevant för utveckling av kärltransplantat. Det innebär inte att de företag som nämns här deltar i studien eller säkert kommer att tjäna pengar på den.

1. Abbott Laboratories

ABT Prisdiagram

Abbott Laboratories (ABT ) grundades 1888 och utvecklar bland annat medicintekniska produkter för hjärt- och kärlvård. Företagets sortiment omfattar stentar, hjärtklaffar och implantat som används vid olika hjärtsjukdomar.

Abbott har omfattande internationell verksamhet och ett brett utbud av medicintekniska produkter. Företagets etablerade position gör det relevant i en diskussion om hjärt- och kärlvård, men bevisar inte ett samband med den aktuella forskningen.

Abbott rapporterade en försäljning på cirka 10,4 miljarder dollar för andra kvartalet 2024. Det är en kvartalssiffra, inte en helårsomsättning på 22 miljarder dollar. Bolagets aktie handlas på New York Stock Exchange. En investeringsbedömning behöver även väga in värdering, konkurrens och andra risker.

2. Boston Scientific Corporation

BSX Prisdiagram

Boston Scientific Corporation (BSX ) grundades 1979 och är en stor tillverkare av medicintekniska produkter. Sortimentet omfattar bland annat stentar, pacemakers och implanterbara defibrillatorer.

Företaget arbetar också med hållbarhetsfrågor och organisatorisk effektivitet. Sådana initiativ kan påverka verksamheten, men en aktiekursrörelse visar inte i sig att en viss omorganisation varit framgångsrik. Kopplingen till den här studien är möjlig sektorrelevans, inte ett bekräftat utvecklingsprojekt.

Framtiden för 3D-skrivare inom hälsa

Bioprintning kan bidra till framtida vårdlösningar, men nya material behöver genomgå noggranna säkerhets- och effektstudier. I universitetets presentation i juli 2024 angavs djurförsök som ett kommande steg, följt av möjliga studier på människor. Här är några andra forskningsområden inom 3D-utskrift och hälsa.

3D-utskrivna läkemedel

Forskare utvecklar metoder för att 3D-skriva läkemedel och kontrollera dosering samt kvalitet under tillverkningen. Tekniken skulle kunna ge mer flexibel produktion, även på platser med begränsad tillgång till läkemedel. Det är en möjlig framtida nytta, inte ett visat resultat om miljontals räddade liv.

3D-utskrivna modeller för läkemedelstester

3D-utskrift används även för att utveckla vävnadsmodeller och system av typen kropp-på-chip. Dessa kan efterlikna vissa biologiska funktioner och hjälpa forskare att undersöka läkemedel. De ersätter inte en hel människokropp, men kan ge mer kontrollerade experiment.

Utskrift av hjärnvävnad

Bioprintning öppnar nya möjligheter att studera vävnader. Forskare har utvecklat utskrivna modeller av hjärnvävnad där nervceller kan växa och samverka i en mjuk gel. Sådana laboratoriemodeller efterliknar vissa funktioner hos hjärnvävnad; de är inte kompletta mänskliga hjärnor.

3D-utskrift kan hjälpa patienter med hjärt- och kärlsjukdomar

Kombinationen av utskrift och fiberförstärkning är en lovande väg för att utveckla konstgjorda blodkärl. Om fortsatt forskning visar säkerhet och funktion kan tekniken bidra till framtida behandlingar. Studien har ännu inte visat förbättrad överlevnad eller minskade komplikationer hos patienter.

Läs mer om andra spännande 3D-utskriftsprojekt här.