Konstgjorda ben: Den senaste i 3-D-utskrift

Forskare har några intressanta nyheter om framsteg i mänskliga "reservdelar. "

Snart kan det vara möjligt att ersätta skadade mänskliga ben med syntetiska skräddarsydda ben som skapats på en 3-D-skrivare.

AnnonsAdvertisement

Detta "hyperelastiska" benet kommer att produceras med ett "bläck" som tillverkats av ett naturligt kalcium som finns i humant ben.

I ett betydande förskott över nuvarande metoder säger forskare att de anpassade tryckta benen snabbt kan inducera benregenerering och tillväxt.

Det kan göra medicinsk behandling effektivare, mindre smärtsam och långvarig.

Annons

Applikationer kan inkludera reparation av kraniofaciala, dentala, ryggrads- och andra ben- och sportmedicinskador.

Forskare vid Nordvästuniversitetet publicerade sina undersökningar förra månaden i tidskriften Science Translational Medicine.

AnnonsAdvertisement

Läs mer: Tandläkare kommer snart att skriva ut 3-D antibakteriella tänder »

Hjälpa barn

Ramille Shah, Ph.D., som ledde forskargruppen, är assistent professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern's McCormick School of Engineering och en biträdande professor i operationen på Northwestern's Feinberg School of Medicine.

Shah beskriver hyperelastiskt ben som "en mycket mångsidig, tillväxtfaktorfri, osteoregenerativ, skalbar och kirurgiskt vänlig biomaterial. ”

Forskarna skapade hyperelastiskt ben för att utföra en ryggradsmassage i en råtta och att reparera en skalledefekt i en rhesusapa. Djurförsöken fortsätter.

Shah och hennes team tror att mänskliga försök av deras syntetiska ben kunde börja inom fem år. Shah, som är chef för Shah Tissue Engineering och Additive Manufacturing Lab i Northwestern, sa i en Healthline-intervju att målet för hennes team av forskare och kliniker var att "utveckla ett 3-D-skrivbart biomaterial för benvävnad regenerering hos barn. "

Barn som lider av benfel från trauma eller födelse kan dra nytta av denna teknik.

"De nuvarande materialkirurgerna använder för kraniofaciella defekter är metallplattor och skruvar och polymerer, men inte nedbrytbara, för ansiktsarbete", sa Shah. "Det primära sättet är nu att ta bitar av ben från patientens revben eller höfter och göra en" auto-graft "- forma bitarna så att de passar det defekta utrymmet de vill omforma. Men den här metoden kan orsaka problem på annat håll i kroppen. Auto-grafts används speciellt med barn, eftersom du inte vill använda "främmande kroppar" hos barn. "

Annons

Boneimplantationskirurgi är smärtsamt och komplicerat för barn, sa hon. Benskördning för ett auto-transplantat kan leda till andra komplikationer och smärta.Metalliska implantat används ibland, men det här är inte en permanent fix för växande barn.

"Vuxna har fler alternativ när det gäller implantat," sa Shah. "Pediatriska patienter gör det inte. Om du ger dem ett permanent implantat, måste du göra mer kirurgi i framtiden när de växer. De kan möta år med svårigheter. "

AnnonsAdvertisement

Läs mer: 3-D-droger: Ditt apotek skriver nu ditt recept»

De rätta ingredienserna Den naturliga benkomponenten är avgörande för framgång.

Huvudbeståndsdelen i Shahs biomaterial är hydroxiapatit, ett fosfat av kalcium som är det huvudsakliga strukturella elementet (90 viktprocent) av naturligt vertebratben.

Annons

Shah och hennes kollegor blandar 90 procent hydroxapatit med 10 procent biokompatibel, biologiskt nedbrytbar medicinsk polymer i ett lösningsmedel som gör texturen mer lik en vätska än en fast substans.

"Konsistensen är som Elmer lim," sa Shah.

AnnonsAdvertisement

Blandningen heter "bläck" eftersom den används i en 3-D-skrivare.

När blandningen är extruderad, indunstar huvudlösningsmedlet omedelbart och stelnar materialet. Materialets struktur är porös och kan användas vid rumstemperatur.

"Hög porositet är kritisk eftersom celler och blodkärl måste infiltrera det strukturella stället för att förbättra vävnadsintegrationen," förklarade Shah.

Dessutom skapar den höga koncentrationen av hydroxiapatit en miljö som inducerar snabb benregenerering.

"Det [hyperelastiska benet] är konstruerat för att degradera och omformas till naturligt ben och kan därför växa med patienten," sa Shah. "Detta eliminerar behovet av framtida operationer, som görs med metallplattor eller implantat. "

Läs mer: Forskare upptäcker sätt att skriva ut mänsklig vävnad»

En mångsidig produkt

Hyperelastiskt ben är mångsidigt och kan skrivas ut i varierande styrkor.

Det inkluderar mycket elastiska ben, de som tålar betydande belastningar såväl som de som är mer ihåliga eller täta. Dessa mekaniska egenskaper bestäms av arkitekturen för det 3-D-skrivna objektet, sade Shah.

Syntetiskt ben kunde anpassas för varje patient.

Många applikationer inkluderar reparationer för ryggradsfrakturer, idrottsmedicinskador och ACL och rotator manschettskador som kräver mjukvävnad till benläkning, sa Shah.

I kraniofaciala och dentala applikationer, och för ansiktsdeformationer, kan ersättningsbenet skrivas ut "för att passa perfekt patientens symmetri och anatomi, speciellt i de fall där det finns en estetisk komponent som är viktig för patientutfallet", sa hon.

"Materialet är mycket elastiskt, och kirurger kan manipulera det," sa Shah. "De tillgängliga materialen är nu mycket flexibla och inte svåra att skära och forma. När kirurger hörde om detta var de väldigt exalterade. "

Läs mer: Bor med en artificiell pankreas maskin»

Viktigt i huvudet, ansiktsoperationerna

Egenskapen hos hyperelastiskt ben är särskilt viktigt för att reparera ben i huvud och ansikte.

"I kraniofaciella defekter kan vi skapa ett objekt som åtgärdar eller täcker defekten, så att vi kan behålla ansiktssymmetri," sa Shah. "Vi kan skriva ut något som är patientspecifikt. Materialet går genom byggnadsstället. Detta är viktigt, för om du inte har blodkärl inom defekten kan du få vävnadsnekros [vävnadsdöd]. På byggnadsstället kommer celler att deponera nytt benmaterial. Med permanenta implantat måste du byta dem över tiden. Det nya materialet växer med patienten och är inte invasivt. "

Antibiotika kan tillsättas för att bekämpa infektion.

Forskarna utför 3-D-utskriftsprocessen vid rumstemperatur, vilket gör att de kan lägga till andra ämnen, till exempel antibiotika, till bläcket.

"Vi kan införliva antibiotika för att minska risken för infektion efter operation," sa Shah. "Vi kan också kombinera bläcket med olika typer av tillväxtfaktorer, om det behövs, för att ytterligare förbättra regenereringen. Det är verkligen ett multifunktionellt material. "

Läs mer: Är huvudtransplantationer möjliga … och etiska? »

Personliga ersättningar

Kirurger som använder Shahs syntetiska benmaterial skulle kunna skanna patientens kropp och skapa personligt ersättningsben på en 3-D-skrivare.

Biomaterialets flexibla mekaniska egenskaper gör att läkare enkelt kan skära och forma den till storlek under ett kirurgiskt ingrepp. Inte bara är detta snabbare, sade Shah, men också mindre smärtsamt jämfört med användning av auto-graftmaterial.

När hon började sin forskning år 2009, fick Shah fakultetsstartfinansiering och har fortsatt stöd från National Institutes of Health (NIH).

Hon hoppas få statlig och företagsfinansiering och nyligen grundat ett startföretag på Northwestern för att utforska applikationer för sitt arbete.

Shah ser fram emot en dag då "vändningstiden för ett implantat som är specialiserat för en kund kan vara inom 24 timmar. Det kan förändra världen av kraniofacial och ortopedisk kirurgi, och jag hoppas kommer att förbättra patientens resultat. ”