Lasertryckta bentransplantat kan förändra benläkning

Ett team av ingenjörer vid ETH Zurich har presenterat ett effektivare och mer praktiskt sätt att skapa bentransplantat. Metoden använder nya material och laserutskrift för att ge snabbare återhämtning med mindre risk. Här är det du behöver veta.

Varför benfrakturer ökar

Du känner sannolikt minst en person som har brutit ett ben. Skadorna kan vara allt från barndomsolyckor till svåra trauman, men samtliga kräver någon form av medicinsk vård för att benet ska läka korrekt.

Tyvärr har antalet benbrott ökat stadigt globalt, bland annat på grund av den åldrande babyboomgenerationen. Enligt International Osteoporosis Foundation (IOF) registrerades mer än 37 miljoner fragilitetsfrakturer bland äldre bara förra året, och trenden väntas fortsätta när befolkningen åldras.

Hur ben läker naturligt

Människokroppen är fantastisk och kan läka lindriga frakturer på egen hand. Den skickar först olika mjukvävnadsceller till det skadade området. Dessa tillfälliga celler fungerar som en byggnadsställning som låter det nya benet ta form och slutligen hårdna.

En del av denna förmåga beror på benets unika nätverk av mikroskopiska passager och hålrum. Ett litet benfragment, mindre än ett mynt, kan innehålla mer än 54 kilometer mikroskopiska tunnlar.

När benfrakturer kräver kirurgisk intervention

I vissa fall är frakturen så allvarlig att kroppen inte kan läka skadan utan hjälp från vårdpersonal. Svåra öppna frakturer måste stabiliseras med metallstift och implantat.

Att avlägsna en tumör kan också lämna en del av benet tom. Läkare måste fylla detta område för att stabilisera benet. Ibland tillverkas transplantatet av ben från patienten.

Autotransplantat

Autotransplantat är den vanligaste lösningen i denna situation. De kan ha flera former, men de mest använda alternativen består av patientens eget ben, keramik eller metall.

Problem med autotransplantat

Autotransplantat kan förbättra läkningen men har också nackdelar. Metoden kräver ytterligare en operation för att hämta benvävnaden som ska användas. Det ökar kostnader, risker och väntetid samt kräver mer personal.

ETH Zurichs genombrott med laserutskrivna bentransplantat

Den vetenskapliga artikeln ”A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹ i Advanced Materials beskriver en helt ny metod med potential att förändra sjukvården.

2PP-mikrofabricering

För att skapa bättre och stabilare transplantat använde teamet en metod som kallas tvåfotonpolymerisering (2PP). Tekniken utvecklades ursprungligen som direkt laserskrivning för vävnadsteknik och läkemedelsutveckling och bygger på femtosekundpulser.

Dessa små lasrar med hög intensitet härdar särskilda ljuskänsliga material. De gör det möjligt att skapa högupplösta tredimensionella strukturer på submikrometerskala. Denna förmåga väckte intresset hos Xiao-Hua Qin, professor i biomaterialteknik vid ETH Zurich, och hans team.

Ny hydrogel behövdes

Att efterlikna människans extracellulära matris (ECM) kräver en detaljrikedom som traditionella 2PP-metoder saknade. En tvåfotonlaser kan koncentrera den fotokemiska reaktionen exakt till ett område och ger därför mycket större kontroll än tidigare metoder med en laser.

Gelen var dock inte tillräckligt styv för att behålla formen eller tillräckligt reaktiv för att stanna på plats. Teamet började därför utveckla en ny hydrogel.

Dagens 2PP-tillverkning använder hydrogel med (met)akrylerade proteiner.  Kommersiella vattenlösliga tiolbaserade tvärbindare, till exempel ditiotreitol, är vanliga. Proteinerna saknar de starka tvärbindningsmekanismer som krävs för bentillväxt.

Källa – ETH Zurich

Materialet klarar inte den detaljnivå som människoben kräver och försöken gav många strukturella fel. Den traditionella lösningen vore att öka polymerkoncentrationen, men teamet valde en annan väg.

PVA-thiolkorsbindare (PVASH)

Ingenjörerna beslutade att utveckla en helt ny hydrogel. Hydrogelen med en vattenlöslig makromolekylär tioltvärbindare av polyvinylalkohol (PVASH) använder specialiserade molekyler för att förbli stabil och biokompatibel.

Teamet blandade först PVASH med norbornenfunktionaliserad PVA (nPVA) och tillsatte därefter fotoinitiatorer för att säkerställa att laserprocessen fungerade korrekt.

Den viktigaste förändringen är att metoden inför flera reaktiva grupper. Det gör att gelen härdar snabbare och mer fullständigt när laserstrålningen träffar den. Forskarna kan också använda en molekyl för att binda polymerkedjan och en annan för att säkerställa ljusreaktionen.

Laserutskrift

Laserutskrift gör det möjligt att skapa naturliga benstrukturer med detaljer som bara är 500 nanometer breda. Teamet använde en laser på 20 mW.

Den mikroskopiska precisionen skapar naturliga hålrum och passager. Konstruktionerna kan förprogrammeras och framställas med 400 millimeter per sekund, ett nytt världsrekord som visar hur framsteget kan påskynda patienternas återhämtning.

Mikroskopiska byggnadsställningar

Materialet tycks efterlikna människobenets komplexitet så väl att cellerna omedelbart inleder den normala läkningsprocessen. De många kilometerna av mikroskopiska tunnlar och passager ger perfekt fäste för frisk celltillväxt.

Laboratorietester av laserutskrivna benställningar

Forskarna utförde flera laboratorietester för att se om teorin höll under realistiska förhållanden. De gladdes åt att försöken visade snabb celltillväxt.

Hydrogelen skrevs ut i den anpassade formen och inom några dagar började kroppen skapa kollagen, ett av de viktigaste stegen i bentillväxten. Ingenjörerna såg samtidigt hur polymeren bröts ner i kroppen och konstaterade att den är helt ofarlig.

Därefter utvärderade de hydrogelen och molekylerna för tiol-en-tvärbindning. Prestandan överträffade förväntningarna och skapade en stark och naturlig reparation av den skadade vävnaden snabbare än andra metoder.

Testresultat för laserutskrivna bentransplantat

Resultaten visar hur viktigt arbetet är för sjukvården. Forskarna registrerade stora förbättringar i alla steg, från formning av transplantatet och cellernas inväxt till byggnadsställningens biologiska nedbrytning. De skapade läkta benceller som motsvarade dem kroppen bildar naturligt.

Fördelar med laserutskrivna bentransplantat

Den nya hydrogelen ger många fördelar, bland annat större flexibilitet i struktur och placering. Traditionella hydrogeler kan inte formas. Extra bindningsmolekyler ger betydligt bättre stabilitet och möjliggör direkt formning efter varje patients behov.

Swipe to Scroll →

Fidelitet

En annan viktig fördel är den ökade precisionen. De nya PVASH-baserade hydrogelerna ger ingenjörer fler möjligheter till utformning och strukturell komplexitet på mikroskopisk nivå.

Bättre patientrespons

Forskarna har bara genomfört laboratorieförsök, men den nya metoden orsakade betydligt mindre svullnad. Den biokompatibla hydrogelen accepteras lättare av kroppens celler än metall eller keramik.

Verkliga tillämpningar & tidslinje:

Upptäckten kan användas i flera branscher. Den mest uppenbara är sjukvården, där tekniken kan minska kostnaderna och återhämtningstiden för patienter med benbrott.

Proteser

Tekniken kan så småningom skapa mer realistiska proteser som ser ut och känns som riktiga kroppsdelar. Den kan lägga grunden och låta celltillväxten göra resten.

Robotik

Robotikbranschen kan också använda tekniken för starkare biomekaniska konstruktioner. De kan kombinera levande celler och strukturer med mekaniska enheter för att skapa effektivare maskiner.

Tidslinje

Det kan dröja minst tio år innan tekniken är mogen för användning på människor. Forskningen befinner sig fortfarande i ett tidigt skede och många vetenskapliga och regulatoriska hinder återstår.

Forskarna bakom laserutskrivna bentransplantat

Forskare från ETH Zurich ledde studien av laserutskrivna bentransplantat. Xiao-Hua Qin och Ralph Müller anges som huvudförfattare och fick stöd av Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang och Philipp Fisch.

Framtid

Framtiden för laserutskrivna bentransplantat är ännu inte avgjord. Tekniken är lovande, men mycket fler tester behövs, inklusive försök på människor.

Nästa steg blir djurförsök. Forskarna har redan inlett ett strategiskt samarbete med AO Research Institute Davos. Beroende på resultaten går forskningen därefter vidare till människor.

Investera i HealthTech-innovation

Flera företag fortsätter att driva innovation inom HealthTech. De har visat en vilja att hitta kreativa lösningar på detta viktiga problem. Här är ett marknadsledande företag som är värt att känna till.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings startade som Bacterin International i ett laboratorium vid Montana State University i början av 1990-talet. Målet var att utforska bättre medicinska metoder med fokus på implantat inom regenerativ medicin.

Företaget bytte namn till Xtant Medical Holdings år 2000 och lanserade kirurgiska implantat 2006. Efter en lyckad börsnotering 2013 började det köpa andra företag inom regenerativ benforskning, bland annat X-spine 2016.

År 2020 riktade Xtant in sig på rekonstruktion av ryggraden.  Företaget fortsatte med förvärv och strategiska partnerskap och har sedan dess åter expanderat till andra områden inom regenerativ benmedicin.

I dag räknas Xtant som ett av världens ledande ortobiologiska företag. Det erbjuder produkter som ska förbättra patientresultat och fortsätter att investera i effektivare alternativ. Investerare som söker ett etablerat medicintekniskt företag bör undersöka Xtants utbud närmare.

Senaste nyheter och resultat för Xtant Medical Holdings (XTNT)

Slutsats om laserutskrivna bentransplantat

Det är lätt att förstå varför bättre lösningar efterfrågas för patienter med svåra benskador, till exempel ryggmärgsskador. Befolkningen åldras och dessa skador kommer att bli vanligare. Arbetet kan därför lägga grunden för snabbare och mer tillförlitliga läkningsmetoder.

Läs om andra spännande utvecklingar inom Health-Tech-sektorn här.

Referenser

^{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}