Эффективность 3D-печатных костно-полимерных имплантатов доказана опытным путем

Каждый год около 200 000 пациентов требуют пересадки костной ткани. Необходимость может быть вызвана врожденными дефектами, полученными травмами или осложнениями в ходе хирургических операций. В черепной и челюстно-лицевой хирургии стандартная медицинская процедура предусматривает пересадку костных блоков, отделяемых от малоберцовой кости и подгоняемых под необходимый размер и форму. Это решение сложно назвать идеальным, так как оно зачастую приводит к травмам ног, да и добиться точной формы имплантата из костного блока достаточно сложно. Там временем ученые медленно, но верно идут к созданию искусственных имплантатов, точно передающих сложные формы. Новый метод подразумевает 3D-печать частично полимерных матриксов, служащих субстратом для живых клеток. 3D-печать необходимых секций позволит врачам создавать идеально сидящие имплантаты и избегать необходимости заимствования костных тканей. Но все не так просто: для того, чтобы живые клетки преобразовывались в ткани, необходим образец, по которому будет происходить формирование. Таким образцом может послужить кусочек натуральной кости, но в таком случае придется вернуться к пересадке блоков со всеми вытекающими проблемами.

Команда исследователей из Университета Джонса Хопкинса проводит эксперименты с костно-полимерными композитами, пригодными для 3D-печати и одновременно обладающими необходимой для роста натуральных костных тканей органической структурой. В роли синтетического материала выступает поликапролактон – биоразлагаемый полиэфир с низкой температурой плавления. Поликапролактон достаточно прочен, но сам по себе не способствует регенерации костных тканей. Для этого исследователи используют добавки из костного порошка, получаемого из колен коров.

«Костный порошок содержит натуральные структурные белки и факторы роста, помогающие стволовым клеткам пролиферировать и образовывать костные ткани», – поясняет профессор Уоррен Грэйсон, декан факультета биомедицинской инженерии Университета Джонса Хопкинса и руководитель проекта. «Кроме того, порошок делает композит более грубым, что способствует закреплению клеток и усилению активности факторов роста».

Потенциал композитных материалов оценивался опытным путем за счет смешивания различных пропорций поликапролактона и костного порошка: доля порошка в различных образцах составляла 30, 70 и 85 процентов. Наиболее насыщенный, 85-процентный вариант был признан неэффективным: низкое содержание поликапролактона сделало композит малопригодным для 3D-печати, а получаемые структуры просто разваливались. Печать остальными вариантами не представила трудностей, и оба прошли в следующий этап испытаний.Далее пригодность 3D-печатных матриксов испытывалась на стволовых клетках, полученных из жировых тканей и помещенных в питательную среду. После трехнедельного периода клетки, выращенные на субстрате с 70-процентным содержанием костного порошка, показали отличные результаты, выраженные высокой экспрессией трех генов, ответственных за формирование костных тканей. Уровни активности были повышены в сотни раз по сравнению с контрольными образцами, использовавшими чисто полимерные субстраты. 30-процентный композит также дал неплохие результаты, хотя и уступающие 70-процентному варианту.

Следующим этапом стало добавление бета-глицерофосфата – реагента, стимулирующего осаждение кальция клеточными ферментами. Клеточная культура на субстратах с 70-процентным содержанием костного порошка показала двойной прирост высвобождаемого кальция в сравнении с контрольной группой, а эффективность 30-процентных образцов оказалась повышенной на треть.

Казалось очевидным, что 70-процентная смесь обладает преимуществом над 30-процентным композитом и оставляет матриксы из чистого поликапролактона далеко позади. Оставалось лишь проверить результаты экспериментов на живых пациентах. Последним этапом исследований стала имплантация 3D-печатных композитов подопытным мышам. В черепах мышек были просверлены отверстия, слишком большие для натурального восстановления. Отверстия были закрыты имплантатами, а спустя три месяца компьютерная томография показала значительный рост костной ткани, превышающий контрольные показатели на 50%.

Хотя оба композитных варианта показали хорошие результаты, у каждого обнаружились свои преимущества: «Во время экспериментов с клеточной массой 70-процентный композит оказался более эффективным в плане стимулирования роста костных тканей, но 30-процентный субстрат продемонстрировал более высокую прочность. Так как в опытах на животных оба варианта показали одинаковую эффективность, мы еще не решили которому из них отдать предпочтение». Для первых опытов использовались порошки, полученные из коровьих костей и сертифицированные для клинического использования Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), но в дальнейших экспериментах ученые намереваются использовать широко используемые аналоги, получаемые из человеческих костей. Кроме того, исследователи будут добиваться более точного воспроизведения естественных форм и экспериментировать с добавлением факторов роста сосудов.

Полный доклад под названием «Трехмерная печать внеклеточных костных матриксов для черепно-лицевой регенерации» опубликован в журнале ACS Biomaterials Science & Engineering.