Künstliche Knochen: Das Neueste im 3-D-Druck

Wissenschaftler haben interessante Neuigkeiten über Fortschritte bei menschlichen "Ersatzteilen". "

Bald ist es möglich, beschädigte menschliche Knochen durch synthetische, angepasste Knochen zu ersetzen, die auf einem 3D-Drucker erstellt wurden.

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Dieser "hyperelastische" Knochen wird mit einer "Tinte" hergestellt, die aus natürlichem Calcium im menschlichen Knochen hergestellt wird.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass die individuell bedruckten Knochen in einem signifikanten Fortschritt gegenüber den derzeitigen Methoden schnell Knochenregeneration und -wachstum induzieren könnten.

Das könnte medizinische Verfahren effektiver, weniger schmerzhaft und länger anhaltend machen.

Anwendungen könnten die Reparatur von kraniofazialen, dentalen, spinalen und anderen Knochen- und Sportmedizinverletzungen umfassen.

Wissenschaftler der Northwestern University veröffentlichten ihre Ergebnisse letzten Monat in der Zeitschrift Science Translational Medicine.

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Hilfe für Kinder

Ramille Shah, Ph.D., die das Forschungsteam leitete, ist Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Northwest McCormick School of Engineering und Assistenzprofessor für Chirurgie an der Feinberg School of Medicine von Northwestern.

Shah beschreibt hyperelastischen Knochen als "ein sehr vielseitiges, wachstumsfaktorfreies, osteoregeneratives, skalierbares und chirurgisch freundliches Biomaterial. "

Die Wissenschaftler schufen hyperelastischen Knochen, um eine Wirbelfusion bei einer Ratte durchzuführen und einen Schädeldefekt bei einem Rhesusaffen zu reparieren. Die Tierversuche werden fortgesetzt.

Shah und ihr Team glauben, dass menschliche Versuche mit ihrem synthetischen Knochen innerhalb von fünf Jahren beginnen könnten.

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Shah, die Leiterin des Shah Tissue Engineering- und Additive Manufacturing Labs bei Northwestern, sagte in einem Healthline-Interview, dass das Ziel ihres Teams von Wissenschaftlern und Klinikern darin bestehe, "ein 3D-druckbares Biomaterial für Knochengewebe zu entwickeln Regeneration bei Kindern. "

Pädiatrische Patienten, die an Knochendefekten aufgrund eines Traumas oder einer Geburt leiden, könnten signifikant von dieser Technologie profitieren.

"Die gegenwärtigen Materialchirurgen, die für kraniofaziale Defekte verwenden, sind metallische Platten und Schrauben und Polymere, aber nicht abbaubare, für die Gesichtsarbeit", sagte Shah. "Der primäre Weg ist nun, Knochenstücke von den Rippen oder Hüften des Patienten zu nehmen und ein" Auto-Graft "zu machen - die Stücke so zu formen, dass sie in den defekten Raum passen, den sie umformen möchten. Aber diese Methode kann an anderen Stellen im Körper zu Problemen führen. Auto-Grafts werden vor allem bei Kindern eingesetzt, weil Sie bei pädiatrischen Patienten keine "Fremdkörper" verwenden wollen. "

Eine Knochenimplantation ist für Kinder schmerzhaft und kompliziert, sagte sie. Die Knochenentnahme für ein Autotransplantat kann zu anderen Komplikationen und Schmerzen führen.Metallische Implantate werden manchmal verwendet, aber dies ist keine dauerhafte Lösung für wachsende Kinder.

"Erwachsene haben mehr Möglichkeiten, wenn es um Implantate geht", sagte Shah. "Pädiatrische Patienten nicht. Wenn Sie ihnen ein Dauerimplantat geben, müssen Sie in Zukunft weitere Operationen durchführen, wenn sie wachsen. Sie könnten jahrelange Schwierigkeiten haben. "

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Die richtigen Zutaten

Natürliche Knochenkomponente ist entscheidend für den Erfolg.

Der Hauptbestandteil von Shahs Biomaterial ist Hydroxylapatit, ein Phosphat von Kalzium, das das Hauptstrukturelement (90 Gewichtsprozent) von natürlichem Wirbeltierknochen darstellt.

Shah und ihre Kollegen mischen 90 Prozent Hydroxyapatit mit 10 Prozent biokompatiblem, biologisch abbaubarem medizinischem Polymer in einem Lösungsmittel, das die Textur eher wie eine Flüssigkeit als einen Feststoff erscheinen lässt.

"Die Konsistenz ist wie Elmers Klebstoff", sagte Shah.

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Die Mischung wird "Tinte" genannt, weil sie in einem 3D-Drucker verwendet wird.

Sobald die Mischung extrudiert ist, verdampft das Hauptlösungsmittel sofort und verfestigt das Material. Die Struktur des Materials ist porös und kann bei Raumtemperatur verwendet werden.

"Eine hohe Porosität ist kritisch, da Zellen und Blutgefäße das Strukturgerüst infiltrieren müssen, um die Gewebeintegration zu verbessern", erklärte Shah.

Darüber hinaus schafft die hohe Konzentration von Hydroxylapatit eine Umgebung, die eine schnelle Knochenregeneration induziert.

"Der [hyperelastische Knochen] ist so konzipiert, dass er sich in natürlichen Knochen abbaut und in Knochen umwandelt und daher mit dem Patienten wachsen kann", sagte Shah. "Dies macht zukünftige Operationen überflüssig, wie es bei Metallplatten oder Implantaten der Fall ist. "

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Ein vielseitiges Produkt

Hyperelastischer Knochen ist vielseitig und kann in verschiedenen Stärken gedruckt werden.

Dazu gehören hochelastische Knochen, solche, die größeren Belastungen standhalten können, und solche, die hohler oder dichter sind. Diese mechanischen Eigenschaften werden von der Architektur des 3D-gedruckten Objekts bestimmt, sagte Shah.

Synthetischer Knochen könnte für jeden Patienten individuell angepasst werden.

Die Vielfalt der Anwendungen umfasst Reparaturen bei Wirbelsäulenfrakturen, Verletzungen der Sportmedizin und Verletzungen der ACL und der Rotatorenmanschette, die eine Heilung von Weichgewebe zu Knochen erfordern, sagte Shah.

Bei kraniofazialen und zahnmedizinischen Anwendungen und bei Gesichtsdeformitäten kann der Ersatzknochen gedruckt werden, "um der Symmetrie und Anatomie des Patienten perfekt zu entsprechen, insbesondere in Fällen, in denen eine ästhetische Komponente für das Patientenergebnis wichtig ist", sagte sie.

"Das Material ist auch sehr elastisch und Chirurgen können es manipulieren", sagte Shah. "Die verfügbaren Materialien sind jetzt sehr flexibel und nicht schwer zu schneiden und zu formen. Als die Chirurgen davon hörten, waren sie sehr aufgeregt. "

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Wichtig in Kopf- und Gesichtsoperationen

Die Eigenschaften von hyperelastischem Knochen sind besonders wichtig für die Reparatur von Knochen im Kopf und Gesicht.

"Bei kraniofazialen Defekten können wir ein Objekt schaffen, das den Defekt fixiert oder abdeckt, so dass wir die Gesichtssymmetrie beibehalten können", sagte Shah. "Wir können etwas drucken, das patientenspezifisch ist. Das Material wird durch das Gerüst gehen. Dies ist wichtig, denn wenn Sie keine Blutgefäße innerhalb des Defekts haben, können Sie Gewebsnekrose [Gewebetod] haben. Im Gerüst lagern die Zellen neues Knochenmaterial ab. Bei dauerhaften Implantaten müssen Sie diese im Laufe der Zeit ersetzen. Dieses neue Material wächst mit dem Patienten und ist nichtinvasiv. "

Antibiotika könnten zur Kontrolle der Infektion hinzugefügt werden.

Die Forscher führen den 3-D-Druckprozess bei Raumtemperatur durch, wodurch sie der Tinte weitere Elemente wie Antibiotika hinzufügen können.

"Wir können Antibiotika integrieren, um die Möglichkeit einer Infektion nach der Operation zu reduzieren", sagte Shah. "Wir können die Tinte bei Bedarf auch mit verschiedenen Arten von Wachstumsfaktoren kombinieren, um die Regeneration weiter zu verbessern. Es ist wirklich ein multifunktionales Material. "

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Personalisierter Ersatz

Chirurgen, die das synthetische Knochenmaterial von Shah verwenden, können den Körper des Patienten scannen und auf einem 3-D-Drucker personalisierten Ersatzknochen erstellen.

Die flexiblen mechanischen Eigenschaften des Biomaterials ermöglichen es Ärzten, sie während eines chirurgischen Eingriffs problemlos zuzuschneiden und zu formen. Das ist nicht nur schneller, sagte Shah, sondern auch weniger schmerzhaft im Vergleich zur Verwendung von Auto-Graft-Material.

Als sie im Jahr 2009 mit ihrer Forschung begann, erhielt Shah eine Anschubfinanzierung für die Fakultät und erhielt laufende Unterstützung von den National Institutes of Health (NIH).

Sie hofft, Regierungs- und Unternehmensfinanzierung zu erhalten, und hat vor kurzem ein Start-up-Unternehmen in Northwestern gegründet, um Anwendungen für ihre Arbeit zu erforschen.

Shah freut sich auf einen Tag, an dem die Bearbeitungszeit für ein auf einen Kunden spezialisiertes Implantat innerhalb von 24 Stunden liegt. Das könnte die Welt der kraniofazialen und orthopädischen Chirurgie verändern und, ich hoffe, die Patientenergebnisse verbessern. "