Ein besserer Knochenersatz: 3-D gedruckter Knochen mit genau der richtigen Mischung von Zutaten

Wenn ich zu wenig Knochen habe muss ich Herausnehmbare Prothese bekommen? - Moritz Dental Zentrum (Juni 2019).

Anonim

Um einen guten Rahmen für das Ausfüllen von fehlendem Knochen zu schaffen, mischen Sie mindestens 30 Prozent pulverisierten natürlichen Knochen mit einem speziellen künstlichen Kunststoff und erstellen Sie die benötigte Form mit einem 3D-Drucker. Das ist das Erfolgsrezept, das Forscher der Johns Hopkins University in einem am 18. April online veröffentlichten Artikel in ACS Biomaterials Science & Engineering veröffentlichten.

Jedes Jahr sagen die Johns-Hopkins-Wissenschaftler, Geburtsfehler, Trauma oder Chirurgie lassen schätzungsweise 200.000 Menschen Ersatzknochen im Kopf oder im Gesicht. In der Vergangenheit mussten Chirurgen bei der besten Behandlung einen Teil der Fibula eines Patienten (einen Beinknochen, der nicht viel Gewicht trägt) entfernen, ihn in die benötigte allgemeine Form schneiden und an der richtigen Stelle implantieren. Aber laut Warren Grayson, Ph.D., Associate Professor für Biomedizinische Technik an der Johns Hopkins University School of Medicine und der Senior Autor des Berichts, schafft das Verfahren nicht nur Beintrauma, sondern auch, weil die relativ gerade Fibula nicht kann so geformt sein, dass sie den subtilen Kurven des Gesichts sehr gut entsprechen.

Das hat die Forscher zum 3-D-Drucken oder der sogenannten additiven Fertigung geführt, die dreidimensionale Objekte aus einer digitalen Computerdatei erstellt, indem sie sich auf aufeinanderfolgende, ultradünne Materialschichten stapelt. Der Prozess zeichnet sich dadurch aus, dass extrem präzise Strukturen - einschließlich anatomisch korrekter - aus Kunststoff hergestellt werden, aber "Zellen, die auf Kunststoffgerüsten platziert sind, benötigen einige Hinweise, um zu Knochenzellen zu werden", sagt Grayson. "Das ideale Gerüst ist ein anderes Stück Knochen, aber natürliche Knochen können normalerweise nicht sehr genau umgeformt werden."

Grayson und sein Team machten sich in ihren Experimenten daran, ein Verbundmaterial herzustellen, das die Festigkeit und Bedruckbarkeit von Kunststoff mit der biologischen "Information" aus natürlichem Knochen verbindet.

Sie begannen mit Polycaprolacton oder PCL, einem biologisch abbaubaren Polyester, der für die Herstellung von Polyurethan verwendet wird, das von der FDA für andere klinische Anwendungen zugelassen wurde. "PCL schmilzt bei 80 bis 100 Grad Celsius - viel niedriger als bei den meisten Kunststoffen - daher ist es ein guter Stoff, um sich mit biologischen Materialien zu vermischen, die bei höheren Temperaturen beschädigt werden können", sagt Ethan Nyberg, ein Doktorand an Graysons Team.

PCL ist auch ziemlich stark, aber das Team wusste aus früheren Studien, dass es die Bildung von neuem Knochen nicht gut unterstützt. Also vermischten sie es mit zunehmenden Mengen von "Knochenpulver", das durch Pulverisieren des porösen Knochens in den Kuhknien nach dem Ablösen von Zellen hergestellt wurde.

"Knochenpulver enthält körpereigene Strukturproteine ​​und Pro-Knochen-Wachstumsfaktoren, die dazu beitragen, dass unreife Stammzellen zu Knochenzellen reifen", sagt Grayson. "Es fügt dem PCL auch Rauigkeit hinzu, die den Zellen hilft, die Botschaft der Wachstumsfaktoren zu erfassen und zu verstärken."

Der erste Test für die Verbundmaterialien war die Bedruckbarkeit, sagt Grayson. Fünf, 30 und 70 Prozent Knochenpulvermischungen zeigten eine gute Leistung, aber 85 Prozent Knochenpulver hatten zu wenig PCL- "Leim", um klare Gitterformen beizubehalten, und wurden aus zukünftigen Experimenten fallengelassen. "Es war wie ein Schokoladenkeks mit zu vielen Schokoladenchips", sagt Nyberg.

Um herauszufinden, ob die Gerüste die Knochenbildung fördern, fügten die Forscher menschliche Fettstammzellen hinzu, die während eines Fettabsaugungsprozesses zu Gerüsten entnommen wurden, die in einer Nährbrühe ohne Knochenbestandteile eingetaucht waren.

Nach drei Wochen zeigten auf 70 Prozent Knochenpulvergerüsten gezüchtete Zellen eine Genaktivität, die in drei Genen, die eine Knochenbildung anzeigen, um ein Hundertfaches höher war, verglichen mit Zellen, die auf reinen PCL-Gerüsten gezüchtet wurden. Zellen auf 30 Prozent Knochenpulvergerüsten zeigten große, aber weniger eindrucksvolle Zunahmen der gleichen Gene.

Nachdem die Wissenschaftler den Schlüsselbestandteil Beta-Glycerophosphat in die Brühe der Zellen gegeben hatten, damit ihre Enzyme Kalzium, das primäre Mineral im Knochen, ablagern konnten, produzierten die Zellen auf 30 Prozent Gerüsten etwa 30 Prozent mehr Kalzium pro Zelle, während die auf 70 Prozent Gerüsten lagen produziert mehr als doppelt so viel Kalzium pro Zelle, verglichen mit denen auf reinen PCL-Gerüsten.

Schließlich testete das Team ihre Gerüste in Mäusen mit relativ großen Löchern in ihren Schädelknochen, die experimentell hergestellt wurden. Ohne Intervention waren die Knochenwunden zu groß, um zu heilen. Mäuse, die mit Stammzellen beladene Gerüstimplantate erhielten, hatten innerhalb der 12 Wochen des Experiments neues Knochenwachstum innerhalb des Lochs. Und CT-Scans zeigten, dass mindestens 50 Prozent mehr Knochen in Gerüsten wuchs, die 30 oder 70 Prozent Knochenpulver enthielten, verglichen mit denen mit reinem PCL.

"In den Bouillon-Experimenten förderte das 70-prozentige Gerüst die Knochenbildung viel besser als das 30-prozentige Gerüst", sagt Grayson, "aber das 30-prozentige Gerüst ist stärker. Da gab es keinen Unterschied zwischen den beiden Gerüsten bei der Heilung der Mausschädel Wir untersuchen weiter, um herauszufinden, welche Mischung am besten ist. "

Obwohl die Verwendung von "dezellularisiertem" Rinderknochen von der FDA für den klinischen Einsatz zugelassen wurde, hoffen die Forscher in zukünftigen Studien, Knochenpulver aus menschlichem Knochen zu testen, da es klinisch weit verbreitet ist. Sie möchten auch mit den Designs des Gerüsts experimentieren, um es weniger geometrisch und natürlicher zu machen. Und sie planen, Additive zu testen, die neue Blutgefäße dazu bringen, die Gerüste zu infiltrieren, die für dickere Knochenimplantate notwendig sind, um zu überleben.

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