Ossa artificiali: gli ultimi in stampa 3-D

Gli scienziati hanno alcune notizie interessanti sui progressi nei "pezzi di ricambio" umani. "

Presto potrebbe essere possibile sostituire le ossa umane danneggiate con ossa sintetiche personalizzate create su una stampante 3D.

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Questo osso "iperelastico" sarà prodotto con un "inchiostro" fatto da un calcio naturale trovato nell'osso umano.

In un significativo progresso rispetto ai metodi attuali, gli scienziati sostengono che le ossa stampate su misura potrebbero indurre rapidamente rigenerazione ossea e crescita.

Ciò potrebbe rendere le procedure mediche più efficaci, meno dolorose e più durature.

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Le applicazioni potrebbero includere la riparazione di lesioni craniofacciali, dentali, spinali e di altre ossa e medicina sportiva.

Gli scienziati della Northwestern University hanno pubblicato le loro scoperte il mese scorso sulla rivista Science Translational Medicine.

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Aiutare i bambini

Ramille Shah, Ph. D., che ha guidato il gruppo di ricerca, è un assistente professore di scienze dei materiali e ingegneria presso la McCormick School of Engineering della Northwestern e un assistente professore di chirurgia alla Scuola di Medicina Feinberg della Northwestern.

Shah descrive l'osso iperelastico come "un biomateriale altamente versatile, privo di fattori di crescita, osteoregenerativo, scalabile e chirurgicamente amichevole. “

Gli scienziati hanno creato l'osso iperelastico per eseguire una fusione spinale in un ratto e per riparare un difetto del cranio in una scimmia rhesus. Le prove sugli animali continueranno.

Shah e il suo team credono che le prove umane sul loro osso sintetico possano iniziare entro cinque anni.

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Shah, a capo della Shah Tissue Engineering and Additive Manufacturing Lab della Northwestern, ha dichiarato in un'intervista Healthline che l'obiettivo del suo team di scienziati e medici era "sviluppare un biomateriale 3D stampabile per il tessuto osseo rigenerazione nei bambini. "

I pazienti pediatrici che soffrono di difetti ossei a seguito di traumi o parto potrebbero beneficiare in modo significativo di questa tecnologia.

"Gli attuali materiali utilizzati dai chirurghi per i difetti craniofacciali sono le piastre e le viti metalliche e i polimeri, ma non quelli degradabili, per il lavoro facciale", ha affermato Shah. "La via principale ora è prendere pezzi di ossa dalle costole o dai fianchi del paziente e fare un 'auto-innesto' - modellare i pezzi per adattarli allo spazio del difetto che si desidera rimodellare. Ma questo metodo può causare problemi in altre parti del corpo. Gli innesti automatici vengono utilizzati soprattutto con i bambini, perché non si desidera utilizzare "corpi estranei" nei pazienti pediatrici. "

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La chirurgia per l'impianto osseo è dolorosa e complicata per i bambini, ha detto. La raccolta delle ossa per un auto-innesto può portare ad altre complicazioni e dolore.A volte vengono utilizzati impianti metallici, ma questa soluzione non è permanente per i bambini in crescita.

"Gli adulti hanno più opzioni quando si tratta di protesi", ha detto Shah. "I pazienti pediatrici no. Se gli dai un impianto permanente, devi fare più interventi chirurgici in futuro mentre crescono. Potrebbero affrontare anni di difficoltà. "

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Gli ingredienti giusti

La componente ossea naturale è fondamentale per il successo.

Il principale costituente del biomateriale di Shah è l'idrossiapatite, un fosfato di calcio che è l'elemento strutturale principale (90% in peso) dell'osso vertebrato naturale.

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Shah ei suoi colleghi miscelano il 90% di idrossiapatite con il 10% di polimero medico biocompatibile e biodegradabile in un solvente che rende la trama più simile a un liquido che a un solido.

"La consistenza è come la colla di Elmer", ha detto Shah.

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La miscela si chiama "inchiostro" perché viene utilizzata in una stampante 3D.

Una volta estrusa la miscela, il solvente principale evapora immediatamente e solidifica il materiale. La struttura del materiale è porosa e può essere utilizzata a temperatura ambiente.

"L'elevata porosità è fondamentale perché le cellule e i vasi sanguigni devono infiltrarsi nell'impalcatura strutturale per migliorare l'integrazione del tessuto", ha spiegato Shah.

Inoltre, l'alta concentrazione di idrossiapatite crea un ambiente che induce una rapida rigenerazione ossea.

"L'osso iperelastico è progettato per degradarsi e rimodellarsi nell'osso naturale e quindi può crescere con il paziente", ha detto Shah. "Questo elimina la necessità di futuri interventi chirurgici, come avviene con placche o impianti metallici. "

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Un prodotto versatile

L'osso iperelastico è versatile e può essere stampato in vari punti di forza.

Questo include ossa altamente elastiche, in grado di sopportare carichi significativi oltre a quelli più cavi o densi. Queste proprietà meccaniche sono determinate dall'architettura dell'oggetto stampato tridimensionale, ha affermato Shah.

L'osso sintetico può essere personalizzato per ciascun paziente.

La varietà di applicazioni include riparazioni per fratture della colonna vertebrale, lesioni da medicina sportiva e lesioni della cuffia dei rotatori e dell'ACL che richiedono la guarigione da tessuto molle all'osso, ha detto Shah.

Nelle applicazioni craniofacciali e dentistiche e per le deformità facciali, l'osso di ricambio può essere stampato "per adattarsi perfettamente alla simmetria e all'anatomia del paziente, specialmente nei casi in cui vi è una componente estetica importante per l'esito del paziente", ha detto.

"Anche il materiale è altamente elastico ei chirurghi possono manipolarlo", ha detto Shah. "I materiali disponibili ora sono molto flessibili e non difficili da tagliare e modellare. Quando i chirurghi hanno sentito parlare di questo, erano molto eccitati. "

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Importante nella testa, interventi chirurgici del viso

Le proprietà dell'osso iperelastico sono particolarmente importanti nella riparazione delle ossa nella testa e nel viso.

"Nei difetti craniofacciali, possiamo creare un oggetto che corregge o copre il difetto, permettendoci di mantenere la simmetria facciale", ha detto Shah. "Possiamo stampare qualcosa che è specifico per il paziente. Il materiale attraverserà il patibolo. Questo è importante, perché se non si hanno vasi sanguigni all'interno del difetto, si può avere necrosi tissutale [morte tessutale]. Nello scaffold, le cellule depositeranno nuovo materiale osseo. Con gli impianti permanenti, devi sostituirli nel tempo. Questo nuovo materiale cresce con il paziente e non è invasivo. "

Gli antibiotici potrebbero essere aggiunti per controllare l'infezione.

I ricercatori eseguono il processo di stampa 3D a temperatura ambiente, che consente loro di aggiungere altri elementi, come gli antibiotici, all'inchiostro.

"Possiamo incorporare antibiotici per ridurre la possibilità di infezione dopo l'intervento chirurgico", ha detto Shah. "Possiamo anche combinare l'inchiostro con diversi tipi di fattori di crescita, se necessario, per migliorare ulteriormente la rigenerazione. È davvero un materiale multifunzionale. "

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Sostituzioni personalizzate

I chirurghi che utilizzano il materiale osseo sintetico di Shah sono in grado di eseguire la scansione del corpo del paziente e creare un osso sostitutivo personalizzato su una stampante 3D.

Le proprietà meccaniche flessibili del biomateriale consentono ai medici di tagliarlo e modellarlo facilmente su misura durante una procedura chirurgica. Non solo è più veloce, ha detto Shah, ma è anche meno doloroso rispetto all'uso di materiale di innesto automatico.

Quando ha iniziato la sua ricerca nel 2009, Shah ha ricevuto i finanziamenti per l'avvio della facoltà e ha ricevuto un sostegno continuo dal National Institutes of Health (NIH).

Spera di ottenere finanziamenti governativi e aziendali e di recente ha fondato una start-up della Northwestern per esplorare le applicazioni per il suo lavoro.

Shah attende con impazienza un giorno in cui "i tempi di consegna per un impianto specializzato per un cliente potrebbero essere entro 24 ore. Ciò potrebbe cambiare il mondo della chirurgia craniofacciale e ortopedica e, spero, migliorerà i risultati dei pazienti. “