Ученые из Северо-Западного Университета разработали новый тип пластика для 3D-принтеров, который можно использовать для печати эластичных искусственных костей. Он не вызывает имунного ответа, самостоятельно заполняется клетками и окостевает естественным образом. Описание нового материала опубликовано в журнале Science.
Материал для искусственной кости создан на основе двух веществ: минерала гидроксиапатита, который присутствует и в настоящих костях, обеспечивая их жесткость, и полиэфира поликапролактона — биосовместимого полимера, уже широко использующегося в медицине. Полимерная часть составляет всего десять процентов нового материала по массе, однако этого оказывается достаточно для обеспечения его высокой эластичности. «Искусственные кости» на основе материала можно растягивать без разрушения структуры на 30-60 процентов длины.
Помимо эластичности, материал обрадает высокой пористостью — микропустоты составляют до половины объема «искусственной кости». Это позволяет клеткам проникать во внутреннюю структуру материала и заселять ее, осуществляя таким образом регенерацию. В искусственных костях при этом появляются кровеносные сосуды и начинает расти настоящая костная ткань. Со временем поликапролактон разрушается до капроновой кислоты, воды и CO2, а внутри имплантата остается только минеральная часть и собственные клетка пациента.
Ученые протестировали новый материал на мышах и крысах. У последних с помощью имплантатов на основе нового материала медики пытались вылечить перемлом позвоночника, что в результате удалось сделать даже эффективнее, чем с помощью донорских графтов (кусочков настоящей кости, которую используют как имплантат). Отдельный тест материала был сделан и на макаках, которым вживляли искусственную кость из нового материала вместо одного из фрагментов черепа. По словам авторов статьи, ни в одном случае не наблюдалось воспаления или какого-то иного нежелательного ответа от иммунной системы. Кровеносные сосуды хорошо проникали в имплантаты и заселяли их живыми клетками.
Подобные искусственные материалы, которые имплантируются на место поврежденного органа и затем заселяются собственными клетками пациента, медики называют скеффолдами, т. е. каркасами. Обычно в составе скеффолдов присутсвуют специальные факторы роса, которые должны стимулировать рост клеток. Иногда же в состав скеффолда добавляют стволовые клетки — эта технология исследуется, но пока не применяется в клинике. В данном случае авторам материала удалось добиться хорошего заживления даже без использования факторов роста (таких как BMP) и стволовых клеток.
В области протезирования костей основными недостатками искусственных скеффолдов являются излишнаяя хрупкость и повышенный риск развития воспаления. Альтернативный подход подразумевает использование собственных костных тканей пациента, полученных с другого органа, однако эта технология тоже не лишена серьезных недостатков. Она требует проведения сложной операции, что занимает много времени, но не всегда гарантирует результат. Получение же искусственных костей с помощью 3D-печати не только гораздо проще, но и несопоставимо быстрее — создание иплантата, по словам авторов статьи, занимает всего около 5 часов.
На данный момент говорить о полной безопастности технологии нельзя, так как она опробована только на животных, к то му же время наблюдей пока не превышает нескольких недель. Однако все компоненты системы уже использовались в медицине и пока не вызвали серьезных осложнений.
Александр Ершов
