Исследователи из Института биоинженерии Каталонии (IBEC) сделали важный шаг вперед в области регенерации костной ткани, разработав инновационные каркасы, напечатанные с использованием технологии 3D-печати. Эта разработка основана на сочетании полимолочной кислоты (PLA) и фосфата кальция (CaP), что делает каркасы не только биосовместимыми, но и способными стимулировать восстановление костной ткани через улучшение ангиогенеза – процесса образования новых кровеносных сосудов.
Технология создания каркасов
Исследователи использовали метод FDM (Fused Deposition Modeling) для создания трехмерной структуры каркасов. Это позволило добиться высокой точности и контроля за пористостью материала. Основной акцент был сделан на создании сетчатой структуры с заданными параметрами пор – достаточно большими для проникновения клеток и сосудов, но достаточно малыми, чтобы обеспечить механическую стабильность.
Пористость играет ключевую роль в данном подходе: она способствует проникновению кислорода и питательных веществ, необходимых для жизнедеятельности клеток, и обеспечивает транспортировку факторов роста, стимулирующих восстановление тканей.
Преимущества PLA-CaP в биоприложениях
Комбинация полимолочной кислоты с фосфатом кальция делает каркасы биоактивными. PLA обеспечивает биосовместимость и механическую поддержку, тогда как CaP ускоряет образование костной ткани, благодаря своей схожести с природными компонентами костей.
Во время процесса печати компоненты смешиваются таким образом, чтобы минимизировать термическое разрушение материала и сохранить его биоактивные свойства. Этот подход позволяет добиться равномерного распределения CaP в матрице PLA, что усиливает остеоиндуктивные свойства материала.
Процесс состоит из следующих этапов:
- Подготовка материала: Полимолочная кислота (PLA) смешивается с фосфатом кальция (CaP). Это достигается путем расплавления и равномерного распределения в материале. Процесс требует строгого контроля температуры и давления, чтобы сохранить химические свойства и предотвратить его деградацию.
- Проектирование структуры: С помощью компьютерного моделирования (CAD) создается цифровой прототип каркаса. Учитываются размеры и геометрия костного дефекта, чтобы создать идеально подходящую структуру.
- 3D-печать: Подготовленный материал поступает в экструдер 3D-принтера, который формирует слой за слоем трехмерную структуру. Параметры – такие как диаметр пор, толщина слоев и скорость печати – адаптируются для создания оптимальных условий для клеточной адгезии и васкуляризации.
- Финишная обработка: Готовые каркасы подвергаются стерилизации и возможному покрытию биоактивными веществами, такими как белки или факторы роста, чтобы усилить их терапевтические свойства.
Интеграция с клеточной терапией
Для проверки эффективности каркасов исследователи использовали мезенхимальные стволовые клетки (MSC), которые были культивированы на поверхности каркасов. Эти клетки способны превращаться в различные типы тканей, включая костную. Было показано, что каркасы стимулируют пролиферацию клеток и их дифференцировку в остеобласты – клетки, формирующие новую кость.
На основе экспериментов установлено:
- Адгезия клеток: Поверхность каркасов обеспечивает превосходные условия для прикрепления MSC, благодаря чему начинается процесс клеточного роста.
- Дифференцировка клеток: Под воздействием химических сигналов, передаваемых через каркас, MSC превращаются в остеобласты, что ускоряет формирование костной ткани.
- Секреция VEGF: Каркасы стимулируют клетки к выделению фактора роста эндотелия сосудов, который отвечает за образование и развитие новых сосудов.
Важным открытием стало то, что каркасы способствовали выделению фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), напрямую связанного с усилением ангиогенеза.
В лабораторных условиях каркасы показали стабильное образование и созревание кровеносных сосудов, что критически важно для успешного восстановления костной ткани.
Этапы тестирования и результаты
Испытания каркасов проводились в несколько этапов:
- Лабораторные исследования: На начальном этапе была проверена биосовместимость материалов и их способность поддерживать клеточный рост.
- Моделирование in vivo: Каркасы имплантировали в модели костного дефекта у животных. Результаты показали, что уже через несколько недель после имплантации началось активное проникновение сосудов и формирование костной ткани.
- Долговременное наблюдение: Через несколько месяцев сосуды в каркасах стали более стабильными, а костная ткань – зрелой и прочной.
Заключение
Разработка каркасов на основе PLA-CaP представляет собой революционный шаг в регенеративной медицине. Использование технологии 3D-печати для создания таких структур открывает новые горизонты в лечении костных дефектов, снижая риск осложнений и улучшая долгосрочные результаты.
Эти каркасы могут стать основой для лечения сложных переломов, костных дефектов после травм или операций, а также использоваться в качестве опорной структуры при трансплантации костной ткани.
