Skip to main content

3D Bioprinting of JOINT Replacements

Article Category

Article available in the folowing languages:

Spersonalizowane „żywe implanty” nadzieją dla osób z chorobą zwyrodnieniową stawów

Medycyna regeneracyjna obiecuje skuteczniejsze leczenie uszkodzeń stawów niż jedyna dostępna obecnie opcja – całkowita wymiana stawu. Odchodząc od czysto biologicznego podejścia, twórcy projektu 3D-JOINT wykorzystali biodrukowanie, by odwzorować właściwości biomechaniczne chrząstki.

Zdrowie

Uszkodzenia stawów powodują ból i utratę sprawności, często ograniczając mobilność. Mogą również zapoczątkować błędne koło powodujące coraz większą degenerację chrząstki i kości tworzących staw, co prowadzi do powodującej niepełnosprawność choroby zwyrodnieniowej stawów. Schorzenie to jest wiodącą przyczyną niedomagania osób starszych. Cierpi na nie ponad 40 milionów osób w Europie. Ponieważ nasze społeczeństwo szybko się starzeje, zachorowalność dramatycznie wzrośnie, zwiększając powiązane koszty opieki zdrowotnej. Twórcy projektu 3D-JOINT, wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, opracowali spersonalizowane „żywe implanty” obejmujące biodrukowane w 3D wchłanialne termoplastyczne włókna polimerowe oraz hydrożele zawierające komórki, by wspierać regenerację stawów. „Umieszczenie biomateriałów i komórek warstwa po warstwie umożliwiło kontrolę nad ich rozmieszczeniem i organizacją. Taka precyzja poskutkowała uzyskaniem trwałej tkanki o znacznie lepszych właściwościach biomechanicznych”, wyjaśnia Jos Malda, koordynator projektu. „Nigdy wcześniej nie opracowano technologii tworzenia implantów w ten sposób”.

Postępy techniczne

Przeszczepienie komórek specjalistycznych jest lepszym rozwiązaniem niż naprawianie chorych lub uszkodzonych tkanek, gdyż umożliwia tym komórkom wsparcie naturalnej regeneracji stawów. Wykorzystanie komórek macierzystych dawcy, jako samodzielne rozwiązanie, praktykowano już wcześniej, jednak transplantacje nie skutkowały utworzeniem wystarczająco stabilnych implantów odpowiednio dostosowanych do kształtów stawu. Metoda biodrukowania, zastosowana przez badaczy z projektu 3D-JOINT, umożliwiła spełnienie obu kryteriów. Aby wyleczyć wady chrząstki, pobiera się od pacjenta komórki, namnaża je w laboratorium, a następnie wszczepia w uszkodzonym miejscu; utrzymują one określony kształt dzięki miękkiej matrycy lub klejowi fibrynowemu. Na początku, aby zweryfikować podejście oparte na biowytwórstwie oraz ocenić integralność mechaniczną implantów, opracowano cylindryczne elementy z kompozytu. Zawierały one zintegrowaną kość i chrząstkę wydrukowane z biomateriałów i komórek. W kolejnych generacjach zwiększano skalę produkcji tych elementów i uzyskiwano implanty o bardziej złożonych kształtach. Połączony proces biodrukowania opracowany w ramach projektu 3D-JOINT ulepszył integrację komponentów chrzęstnych i kostnych, umożliwiając przy tym kontrolę nad jednoczesnym rozmieszczaniem mikrowłókien i komórek. Mikrowłókna zwiększyły integralność strukturalną implantu, ponieważ umieszczono je w górnej części chrzęstnej na bazie fosforanu wapnia oraz w dolnej części kostnej, gdzie je zamocowano. Zagwarantowało to integrację obu części. Hydrożelowe polimery zapewniły idealne rusztowanie dla formowania się nowej chrząstki dzięki komórkom regeneracyjnym rozmieszczonym na matrycy dobranej do danej tkanki i umieszczonej w żelu. „Modele obliczeniowe oraz postępy w projektowaniu mikrowłókien, inspirowane ułożeniem włókien kolagenowych w naturalnych tkankach, znacząco zwiększyły zarówno odporność na ucisk, jak i odporność na ścinanie tych implantów”, opowiada Malda. Testując swe podejście w modelach końskich, zespół udoskonalił mikroimplanty w formie „korków”, wykorzystywane do leczenia oddzielającej martwicy kostno-chrzęstnej. Okazało się, że są one w stanie zachować swe właściwości w trudnym środowisku stawu kolanowego zwierząt czworonożnych. Następnie wytworzono większe, spersonalizowane konstrukcje kostnochrzęstne, w oparciu o skany TK, zawierające warstwę chrząstki wzmocnionej włóknem, które poddano testom mechanicznym w kozim modelu ex vivo.

Dzielenie się wiedzą na potrzeby przyszłych odkryć

Wiedzę pozyskaną w trakcie realizacji projektu 3D-JOINT przekazano już kolejnemu pokoleniu badaczy ze studiów magisterskich w dziedzinie biowytwórstwa na Uniwersytecie w Utrechcie, z rocznej szkoły letniej oraz z kursu e-learningowego. Poprzez projekt BioArchitect, realizowany w ramach programu Eurostars, badacze z projektu 3D-JOINT pomogli również firmie REGENHU, światowemu liderowi w dziedzinie produkcji zaawansowanego sprzętu do biodrukowania, opracować komercyjny połączony system biodrukowania. „Teraz koncentrujemy się na opracowaniu elastycznego biomateriału wspomagającego regenerację kości, który umożliwi trwałe leczenie dysplazji stawów biodrowych”, opowiada Malda. Jeśli chodzi o naprawę większych uszkodzeń chrząstki, zespół przygotowuje rozleglejsze badanie kliniczne na koniach, zanim zacznie planować badania z udziałem ludzi.

Słowa kluczowe

3D-JOINT, choroba zwyrodnieniowa stawów, staw, medycyna regeneracyjna, chrząstka, kość, komórka, hydrożel, drukowanie 3D, biodrukowanie, mikrowłókno, komórki macierzyste, biomateriał, biowytwórstwo

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania