Переломи кісток, отримані при катанні на лижах, зазвичай гояться самі по собі. Але якщо перелом дуже серйозний або потрібно видалити пухлину кістки, хірурги встановлюють імплантат, який дозволяє кістці зростатися. Імплантати часто складаються з фрагментів власної кістки пацієнта, відомих як аутотрансплантати, або металевих чи керамічних частин. Ключовим недоліком багатьох сучасних імплантатів є необхідність повторної операції для забору тканини для аутотрансплантатів. Крім того, металеві імплантати, як правило, занадто жорсткі й з часом можуть розхитуватися, знижуючи стабільність.
Ще важливіше те, що кістка – це неймовірно складний орган із численними тунелями та порожнинами. "Для правильного загоєння дуже важливо, щоб біологічні процеси були включені в процес відновлення", - говорить Сяо-Хуа Цінь, професор біоматеріалознавства в ETH Zurich. Успішне відновлення такого роду залежить від різних типів клітин, які повинні спочатку колонізувати імплантат, перш ніж утворити нову кісткову тканину.
Це спонукало дослідника з ETH прийняти нову стратегію: Цінь разом зі своєю командою та професором ETH Ральфом Мюллером створили новий гідрогель, що підходить для майбутніх імплантатів. Цей гідрогель, м'який, як желе, поступово розчиняється в організмі та потенційно може бути використаний для персоналізованих кісткових імплантатів.
Дослідження, яке докладно описує цю розробку, було опубліковано в журналі Advanced Materials.
Загоєння починається з м'якого матеріалу
Дослідник пояснює, що на початковому етапі природного загоєння кістки організм спочатку використовує м'який матеріал. У перші дні після перелому утворюється гематома або синець, який є проникним та сприяє міграції репаративних та імунних клітин, а також доставлення поживних речовин. Фібринова мережа пов'язує ці клітини разом. Ця початкова м'яка структура поступово перетворюється на тверду, жорстку кістку.
Гідрогель створений на зразок цього природного процесу загоєння кістки. Він складається на 97% з води та на 3% з біосумісного полімеру. Для затвердіння дослідники ввели дві спеціальні молекули: одну, яка пов'язує полімерні ланцюги, та іншу, яка за впливу світла запускає реакцію.
Ванван Цю, колишня аспірантка Ціня та Мюллера, розробила сполучну молекулу спеціально для цього застосування. "Вона дозволяє швидко структурувати гідрогелі в субмікрометровому діапазоні", - каже вона. Полімерні ланцюги з'єднуються, як тільки лазерні імпульси певної довжини хвилі потрапляють на гідрогель. Опромінені ділянки негайно тверднуть, а неопромінені частини можна змити пізніше.
Желе може затвердіти з рекордною швидкістю
Таким чином, дослідники можуть використовувати лазерний промінь для друку будь-яких форм і структур з гідрогелю з дуже високою роздільною здатністю та винятковою точністю. Розмір структур може сягати 500 нанометрів.
"Гідрогелі нагадують желе, що ускладнює їх формування", - говорить професор Цінь з ETH. "Завдяки розробленій нами новій сполучній молекулі, ми тепер можемо не тільки структурувати гідрогель стабільним і надзвичайно тонким чином, але й виробляти його з високою швидкістю запису — до 400 міліметрів на секунду. Це новий світовий рекорд".
Структури у нанометровому діапазоні
У своєму дослідженні вчені створили складні структуровані гідрогелі, що нагадують справжню кістку та мають тонку мережу кісткових трабекул. Як шаблон вони використовували медичну візуалізацію.
Навіть здорова натуральна кістка поцяткована тонкою мережею каналів товщиною всього в нанометри, заповнених рідиною. "Шматок кістки розміром з гральну кістку містить 74 кілометри тунелів", - говорить Цінь. Для порівняння, найдовший залізничний тунель у світі, Готардський базисний тунель, має довжину 54 кілометри.
Біосумісний матеріал
Поки що дослідники тестували матеріал лише у пробірці. Результати показали, що клітини, що утворюють кісткову тканину, швидко колонізують структурований гідрогель та починають формувати колаген – життєво важливий компонент кістки. Тести також підтвердили біосумісність матеріалу та його нездатність ушкоджувати клітини, що формують кісткову тканину. Дослідники запатентували базовий матеріал і планують зробити його доступним для медичної промисловості.
Заявлена мета дослідників у майбутньому використовувати імплантат на основі гідрогелю в клініках для відновлення зламаних кісток. Проте потрібні подальші дослідження. Цінь готується до проведення випробувань на тваринах у співпраці з Науково-дослідним інститутом AO у Давосі.
Команда прагне визначити, чи сприяє їх новий матеріал для відновлення кісткової тканини міграції клітин, що формують кісткову тканину, в живих організмах і чи відновлює він міцність кісток з часом.
