Britští fyzici vyrobili páteřní implantáty anatomického tvaru metodou zvanou aditivní výroba čili 3D tisk, při kterém výrobek vzniká postupným nanášením tenkých vrstev.
Občasné bolesti ve spodní části zad sužují až 80 % dospělé populace. Často souvisejí s degenerativními změnami meziobratlových plotének. Lékaři problém obvykle řeší chirurgickým zásahem, a to buď výměnou celé ploténky, nebo pomocí tzv. lumbální fúze, tedy spojením několika obratlů. Chirurg implantuje kostním štěp, který podporuje růst kosti a spojování se spinálními obratli.
Většina štěpů, které jsou v současnosti dostupné, se vyrábí z titanu nebo PEEK (polyetereterketon). Ani jeden z těchto materiálů však není ideální, protože se z nich vyrábějí jen implantáty v určitých standardních velikostech, které nemusejí vyhovovat každému pacientovi. Daleko lepší se jeví anatomicky tvarované náhrady, které by přesněji doléhaly a umožnily by, aby kost dříve srostla. Právě k jejich levné výrobě může být využit 3D tisk.
Britští fyzici proto nyní vyrobili anatomické 3D bederní štěpy založené na novém kompozitním biomateriálu POSS-PCU. Ten už byl vyzkoušen a ukázal se jako slibný pro použití v lékařských aplikacích. Díky úzké spolupráci s klinickými pracovníky mají fyzici k dispozici realistické počítačové modely, které zohledňují různé parametry konkrétních pacientů včetně druhu onemocnění páteře. Vyvinuli také počítačové vyhodnocovací metody a provádějí testy vhodnosti vyrobených implantátů podle skutečných parametrů jednotlivých pacientů.
Výzkumný program se zaměřuje nejen na vývoj zakázkových implantátů, ale také pomůcek pro odstranění poruch svalového a kosterního aparátu, jako jsou degenerativní změny meziobratlových plotének, a také na opravu a rekonstrukci různých defektů kostí. Kromě toho jsou předmětem bádání i syntetické náhrady pro léčení šlach a vazů.
Ačkoli se 3D tisk obecně jeví ideální metodou, nese sebou i jisté komplikace. Jedním z nejdůležitějších problémů pro využití v biologické výrobě je optimalizace vlastností tiskařské barvy (inkoustu). Fyzici proto museli vytvořit směs, která se dá tisknout. Hlavním kritériem přitom bylo složení směsi, která bude kompatibilní s cévní soustavou a maximálně podpoří schopnost buněk růst a generovat funkční tkáně.
Britští vědci porovnávali chování hydrogelových bio inkoustů. Ukázalo se, že hydrogely – polymery, které zadržují vodu, jsou vhodným přídavkem do směsí. Měkčí verze materiálu s menším počtem vazeb mezi jednotlivými polymerovými řetězci upřednostňují rozlišováni buněk, ale na druhé straně musí být zajištěna i mechanická pevnost celého objektu.
Strukturální stabilita, to je zachování tvaru, je zcela závislá na deformovatelnosti bio inkoustu. Ideální materiál by měl vykazovat pseudoplastické (shear-thinning) chování. Při protlačování by se měl chovat jako kapalina s nízkou viskozitou a po natištění by z něj měl být stabilní gel. Tento přechod by měl v materiálu proběhnout co nejrychleji, jinak by tištěný objekt mohl ztratit požadovaný tvar.
Mezi nejobtížnější aplikace patří implantace v mechanicky náročných oblastech. Sem patří kosti, chrupavky a šlachy. Ke zdolání takových problémů zvolili fyzici posílení tisku termoplastickými polymery, hydrogely a pletivem z mikrovláken.
Vědcům se podařilo prokázat, že 3D tisk je správnou technikou pro výrobu anatomicky tvarovaných implantátů, zbývá jim však ještě dořešit řadu otázek, jako je reprodukovatelnost, zvyšování kapacity nebo odolnosti aditivních výrobních procesů. Teprve po jejich vyřešení bude 3D tisk schopen přejít do klinické praxe.
Původní práce (a řada dalších na toto téma) je uveřejněna v Biofabrication.
Mohlo by vás zajímat:
Seismické
vlny a sloní komunikace
Atomové
magnetometry hledají podvodní objekty
Kvantové
baterie pro počítače budoucnosti
Mobilní
optické hodiny měří nadmořskou výšku