Подобные материалы уже давно разрабатывают и даже используют в клинической практике — это полимеры, керамические композиты и их сочетания. Требований к ним довольно много. Они должны быть биосовместимы и биоактивны (не отторгаться организмом, не вызывать воспалительные реакции и стимулировать рост новой костной ткани), быть прочны, пористы, нетоксичны, разлагаться в организме и срастаться с костной тканью (обладать способностью биорезорбции).
Сейчас усилия исследователей в основном направлены на повышение биоактивности подобных материалов и создание новых технологий получения имплантатов, прежде всего персонализированных биоинженерных конструкций. То есть имплантатов, изготовленных для замещения конкретного костного дефекта у конкретного человека. Ведь отсутствие относительно несложного и недорогого метода получения имплантатов под конкретного пациента — основное препятствие на пути использования искусственных биоматериалов.
Коллектив исследователей под руководством доктора технических наук Владимира Комлева из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова (Москва), Института лазерных и информационных технологий (г. Троицк) и Российского онкологического научного центра (РОНЦ) им. Н. Н. Блохина (Москва) разработал и опробовал новую технологию 3D-печати костного матрикса (межклеточного вещества костной ткани) из октакальциевого фосфата (ОКФ).
Метод основан на химическом взаимодействии между исходным порошком трикальцийфосфата (ТКФ) и связующей жидкостью («чернилами») во время 3D-печати, за которым следует химическая обработка полученных трёхмерных структур в растворе ацетата натрия. Исходный материал — трикальцийфосфат — химически близок минеральному составу костной ткани. Он деградирует в биологической среде, стимулирует синтез собственных фосфатов кальция в организме и может обеспечить быстрое восстановление функций костной ткани. Но недавно было показано, что керамические гранулы из октакальциевого фосфата в три раза эффективнее стимулируют образование новых клеток костной ткани в организме, чем трикальцийфосфат. Поэтому ОКФ-имплантаты считаются более перспективными.
Вообще, технологии 3D-печати уже используются для изготовления персонализированных имплантатов. Однако они включают этап термообработки, что создаёт риск разложения трикальцийфосфата. В предложенной методике этап термообработки отсутствует. Специальный механизм 3D-принтера переносит некоторое количество ТКФ-порошка в строительный бокс, образуя в нём тонкий слой порошка, на который из печатающей головки инжектируются «чернила» — однопроцентный раствор ортофосфорной кислоты. ТКФ-порошок, реагируя с «чернилами», превращается в дигидратдикальцийфосфат (ДДКФ). Затем осаждается новый слой ТКФ-порошка — в соответствии с заданной компьютерной моделью будущего имплантата. При этом по мере превращения ТКФ-порошка в дигидратдикальцийфосфат слои порошка связываются между собой. Процесс продолжается, пока не сформируется полностью весь образец. Зацементировавшийся в результате реакции затвердения образец состоит из непрореагировавших частиц ТКФ и некоторого количества ДДКФ. По мере завершения химической реакции образец полностью состоит из ДДКФ, который в ходе последующей химической обработки — реакции гидролиза — превращается наконец в искомую структуру — октакальциевый фосфат. Образование кристаллов ОКФ сопровождается улучшением связи между частицами. Предел прочности материала на сжатие (важная характеристика для костного имплантата) при этом увеличивается от 2,5 до 7,5 MПa*.
Напечатанные керамические имплантаты испытали на кроликах. У животных создавали экспериментальный дефект во фронтальной кости черепа размером 20 мм в поперечнике. (В статье, вышедшей в июньском номере журнала «Frontiers in Bioengineering and Bio-technology» за 2015 год, авторы отмечают, что подобные костные дефекты естественным путём затягиваются исключительно плохо.) После пересадки имплантатов, точно соответствующих форме дефекта, за животными наблюдали в течение шести с половиной месяцев.
С помощью проведённой затем компьютерной томографии обнаружили, что периферические области имплантированного материала полностью интегрировались с окружающими костными тканями! Более того, выявились области, где сформировалась новая костная ткань. При этом она проросла в напечатанные образцы. ОКФ-имплантат оказался биосовместим: материал напрямую контактировал с вновь образовавшейся костью без фиброзного капсулирования — нередко встречающегося осложнения при эндопротезировании (от «эндо» — внутри). Более того, имплантированный блок был проницаем для кровеносных сосудов, клеток гранулированных тканей и остеогенных (костеобразующих) клеток.
Полученные методом 3D-печати имплантаты явно способствовали регенерации кости, ведь диаметр экспериментального дефекта за полгода сократился в 2,3 раза, причём в том месте, где собственного восстановления кости обычно не происходит.
Комментарии к статье
* У костного материала эта величина колеблется от 5 МПа для поясничных позвонков до 167 МПа для бедра. Так что синтезированный имплантат подходит к костям, не несущим большие механические нагрузки.
