Тяжелые травматические повреждения черепа имеют затруднения с заживлением из-за отсутствия крупных участков кости. Обычно используют металлические или пластиковые импланты. Но такие импланты д. использоваться длительное время, чтобы стать подходящими и часто дольше, чем требует фиксация кости. Это часто может приводить к множественным проверкам хирургами, если дефект не заживает. Более того, ткани, примыкающие к имплантату могут заживать неправильно.

"Нашей целью было быстрое излечивание мест дефекта или перелома," говорит Dr. Varanasi. "Мы хотели разработать такие методы и материалы, чтобы однажды мы смогли лечить определенные типы дефектов кости, подобно зубным пломбам."

Эффективность замены каркаса кости ограничена скоростью образования кости, несоответствием каркаса и дефекта и смещениями каркаса во время имплантации. Однако, использование in-situ 3D печати могло бы преодолеть эти ограничения за счет печати поддерживающего каркаса, соответствующего размерам места дефекта.

"В нашей лаб.," говорит Dr. Varanasi "мы тестировали несколько базирующихся на nanobiosilica 3D каркасов с адекватными свойствами 3D печати, чтобы в принципе улучшить имплантабельность и быстрое заживление кости. Мы полагали, что эти каркасы, будут обладать желательной пористостью и химическим составом для лечения кости и сосудов. " Его лаб. использовала модельную культуру клеток надкостницы человека и дефекты черепа у крыс, чтобы продемонстрировать эффективность такого каркаса и метода живой 3D печати для потенциального переноса в клинику.

Каркас из biosilica-biopolymer готовился из смеси Laponite (Lp) с methacrylated gelatin (MAG). Сахароза использовалась для усиления вязкости и замедления затвердения материала для печати (printing ink). IRGACURE 2529 использовался в качестве поперечно связывающего агента. Во время печати поперечное связывания первоначально обеспечивалось УФЛ на кончике носика принтера и каркас печатался in-situ 3D непосредственно на месте дефекта кости черепа, используя разные концентрации Laponite, чтобы определить оптимальную плотность кости и химическую структуру.

Каркасы собирались в виде сетей с размерами, соответствующими возникшему дефекту и спустя 4 недели брали выборки краниальной кости. Оценка с помощью micro-CT показала, что почти 55% костного дефекта излечивалось после 4-х недель при более высоких Lp- rich-MAG каркасах в противоположность каркасам с низким содержанием Lp-containing MAG. Пустые контрольные дефекты заживали только на 11% по сравнению с дефектами заполненными костью. Гистологическое окрашивание показало, что каркасы привлекают клетки в свою структуру, чтобы регенерировать внутрикостные слои, необходимые для инициации процесса заживления.

Результаты показали, что 3D in-situ печать костного регенерирующего каркаса улучшает доставку регенеративных и реконструктивных биомедицинских устройств для соотв. и быстрого заживления костных переломов. Метод позволяет абсорбировать кровь и ростовые факторы в каркас по мере его конструкции в дефекте. Это предоставляет преимущество тем, что внутри инициальной гематомы оказываются включены в структуру каркаса, это предоставляет оператору гибкость в использовании напечатанного каркаса в качестве поддержки, которая стимулирует заживление," говорит Dr. Varanasi.

Dr. Varanasi планирует эту пионерскую работу развивать далее как часть Bone-Muscle Group at the University of Texas at Arlington College of Nursing and Health Innovation, и в сотрудничестве с University of Texas at Arlington College of Engineering, Texas A&M University College of Engineering, и College of Dentistry. Dr. Varanasi находится в процессе определения возможности коммерческой прибыли и научного развития, которые могли бы помочь перенести технологию на тяжелых пациентов в клинике.

Итак, результаты представлены на сессии #0057 titled "Live 3D Printing of Osteogenic Scaffolds Into Bone Defects" Venu G. Varanasi on Wednesday, March 21, 2018 in Fort Lauderdale, FL, USA. Поддержа этого проекта гарантирована несколькими источниками, включая Texas A&M University, the University of Texas at Arlington, and the National Institutes of Health (National Institute of Dental and Craniofacial Research Grant Number 1R03DE023872), и National Science Foundation (NSF I-Corps™ grant number 1805358).