Môžu byť vymodelované pacientovi presne na mieru a sú obohatené o rôzne potrebné bioaktívne látky.
V rámci projektu PROFiBONE vyvíjajú výskumníci prelomový materiál, ktorý sa dá použiť na 3D tlač náhrad kostí. Zdroj: CEITEC
Česko-islandský projekt prináša inovatívne 3D tlačené kostné implantáty, navrhnuté podľa potrieb pacientov a podporujúce hojenie kostí. Prelomový materiál vyvíjajú vedci z centra CEITEC VUT v Brne v spolupráci s Lekárskou fakultou Karlovej univerzity v Plzni a islandskými partnermi. Tlačia z neho implantáty, ktoré môžu byť vymodelované presne na mieru pacientovi a obohatené o ďalšie potrebné bioaktívne látky.
Skoro ako naše kosti
V brnianskom centre CEITEC vyvíjajú profesionálny kostný implantát, ktorý budú môcť „ušiť” pacientovi na mieru aj biologicky, aj podľa veľkosti a tvaru kostného defektu.
„Špeciálny kostný atrament, ktorý odborníci vyvinuli, sa skladá z tekutej hydrogélovej zložky, ktorá obsahuje špeciálny biodegradabilný polymér rozpustený vo vode, a z práškovej keramickej a cementovej zložky. Keramická zložka je špeciálnym druhom kostného minerálu na báze vápnika, ktorý bežne obsahujú naše kosti,“ vysvetľuje vedúca skupiny Pokročilých biomateriálov v centre CEITEC VUT v Brne a súčasne vedúca celého projektu PROFiBONE Lucy Vojtová.
„Tieto materiály napokon obohacujeme o ďalšie látky – o prohojivé látky, antibakteriálne proteíny či prorastové faktory,“ dodáva Klára Lysáková, ktorá sa v rámci svojho doktorského štúdia zameriava na hydrogélové a cementové materiály pre cielenú regeneratívnu medicínu.
Jej úlohou je syntéza spomínaných zložiek a príprava pasty pre 3D tlač. Z tej sa potom pri teplote nepresahujúcej 37 stupňov Celzia vytlačí implantát a v inkubátore sa po niekoľkých hodinách vytvrdí na pevnosť kosti. Vďaka nízkej teplote zároveň zostáva bioaktívny, čiže nestráca schopnosť ďalej ovplyvňovať živé tkanivo.
Lešenie pre bunky
Na rozdiel od dosiaľ používaných (napríklad kovových) materiálov umožňujú biodegradabilné implantáty prerastanie vlastných kostných buniek pacienta. Tak sa pretvoria do nového tkaniva, čo je v biomedicíne zásadný prínos. Podľa odborníkov v plzenskom Biomedicínskom centre je implantát v podstate lešením pre nové kostné bunky.
V procese pretvárania buniek si implantát stále udržiava svoje mechanické vlastnosti, a teda pacientovi dodáva dostatočnú oporu, aby mal plnohodnotnú náhradu kosti, kým sa obnoví jeho vlastná. Materiál v tele napokon nezostáva. Naopak, umožní obnovu kostných buniek, ktorými je následne rozložený a nevznikajú pri ňom žiadne toxické odpadové látky.
Dobrej odbúrateľnosti pomáha biodegradabilný polymér chitosan, ktorý je súčasťou pasty pre tlač implantátu. Vyrába a dodáva ho jeden z islandských partnerov projektu. Zaujímavosťou je, že sa získava z exoskeletonu kreviet, čím sa zužitkováva i nepotrebná surovina z rybárskeho priemyslu. Do budúcna by však chceli vedci vyrábať chitosan rastlinného pôvodu – z húb.
Prelomový nielen pre neurochirurgov
Z implantátov by mohli v budúcnosti ťažiť napríklad pacienti po kraniektómii, čo je zákrok, keď im musí byť pre zvýšený vnútrolebečný tlak dočasne odstránená časť lebečnej kosti. Lekári sa ju síce snažia po určitom čase vrátiť späť, no nie vždy je to možné. U niektorých pacientov totiž dôjde pri návrate k vstrebávaniu pôvodnej kosti. „Pokiaľ má pacient odstránenú časť lebky, je to pomerne rozsiahly defekt a akékoľvek poranenie by mohlo byť fatálne. Takisto kozmetický efekt je veľmi negatívny,“ vysvetľuje prednosta Neurochirurgickej kliniky Fakultnej nemocnice v Plzni Vladimír Přibáň.
Používajú sa preto náhrady – titánové kostné platničky alebo polymérové implantáty. Žiadny z dosiaľ používaných implantátov však nie je celkom ideálny a žiadny neumožňuje obnovu vlastných kostných buniek pacienta. Práve tento nedostatok je v prípade implantátu vyvíjaného v aktuálnom projekte odstránený.
„Do budúcnosti by sme tak mohli robiť 3D modely z tohto materiálu. Náhrada by bola dokonale „ušitá” na mieru pacienta, aby to presne zodpovedalo tvaru jeho lebky,“ verí v úspešnú budúcnosť materiálu Přibáň. Spolupráca na projekte s odborníkmi priamo z nemocnice je tiež veľkým prínosom. Okrem neurochirurgie a ortopédie by mohol nájsť využitie i v zubnom lekárstve.
Posúva hranice 3D tlače
Vďaka projektu vzniklo v Brne laboratórium pokročilej 3D tlače. Pre špeciálny atrament, ktorý musí byť použitý pri laboratórnej teplote, však nebolo možné využiť klasické 3D tlačiarne. Vedci z centra CEITEC teda vyvinuli špeciálnu tlačovú hlavu, ktorá to zvláda a zároveň je možné ju osadiť na bežne rozšírenej 3D tlačiarni.
„Je to vlastne veľmi podobná technológia 3D tlače ako klasická polymérna, len s tým rozdielom, že sa vytláča gélový alebo cementový materiál. Môžeme si to veľmi zjednodušene predstaviť tak, že sa zdobí torta a vytláča sa poleva,“ opisuje postup Přemysl Menčík, ktorý tlačovú hlavu vyvinul. „Gélovo-cementový materiál má pri tlači isté špecifikum, v jej priebehu totiž mení svoje vlastnosti. Počas celého procesu tlače implantátu sú teda potrebné starostlivé sledovanie a kontrola týchto vlastností,“ dodáva.
Sľubné výsledky testov a histologický hardcore
Vytlačené implantáty putujú z Brna do Plzne. Po úspešnom testovaní v skúmavke, keď sa na kostných bunkách preukázalo, že sú materiály bezpečné, mohli vedci prejsť na biologické testovanie na zvieracích modeloch. „Ide o implantáty, ktoré majú byť následne používané v humánnej medicíne, takže toto testovanie nemôžeme preskočiť. Je súčasťou vývoja implantátov pre ľudské telo,“ vysvetľuje Lucie Vištejnová z Biomedicínskeho centra Lekárskej fakulty Karlovej univerzity v Plzni. Pri testovaní je implantát vkladaný do stehennej alebo lebečnej kosti potkana. Počas hojenia implantátov sa následne realizuje analýza kostných vzoriek s implantátmi.
Úlohou histológov je opísať, ako sa kosť hojí a akým spôsobom reaguje na prítomnosť kostného implantátu. Okrem toho hodnotia aj kvalitu novovytvoreného tkaniva, prítomnosť zápalu a interakciu kostného implantátu s kostnými trámcami. A všetko zatiaľ podľa ich slov vyzerá nádejne.
Na plzenskej lekárskej fakulte vďaka projektu inovujú v histologickom laboratóriu už zavedenú metódu spracovania kostných vzoriek takzvanými kostnými výbrusmi. V skúmaných vzorkách je totiž nutné zachovať vápnik, a tak miesto klasického postupu, keď sa kosť odvápni a dá sa v podstate krájať ako iné mäkké tkanivá, zalievajú výskumníci kosť do metylmetakrylátu a špeciálnymi brúskami a pílami ju potom režú na tenké plátky, ktoré je možné analyzovať. „Je to taký histologický hardcore,“ smeje sa Lucia Vištejnová z Biomedicínskeho centra Lekárskej fakulty UK v Plzni.
Dlhá cesta na operačné sály
Lekári sú z novej technológie takí nadšení, že by ju mali najradšej hneď v rukách a na operačných sálach, tvrdí manažér projektu Pavel Janál.
Za obrovský úspech považuje už to, že spolu s kolegami z Islandu a plzenského biocentra smerujú k európskemu patentu na materiálové zloženie pasty pre tlač implantátov. Všetky zapojené inštitúcie by rady v spolupráci pokračovali tak, aby kostné implantáty mohli prejsť do fázy klinického testovania a po absolvovaní legislatívneho procesu sa mohli stať bežnou súčasťou medicíny.
Zdroj: CEITEC, VědaVýzkum.cz
(af)
