«Эта работа имеет клиническое значение», – сказал Ибрагим Т. Озболат, Профессор по развитию семейной карьеры Харц, доцент технических наук и механики, биомедицинской инженерии и нейрохирургии, Пенсильванский университет. «Работать с композитными дефектами, фиксируя одновременно твердые и мягкие ткани, сложно. А для черепно-лицевой области результат должен быть эстетичным."
В настоящее время для исправления отверстия в черепе, затрагивающего как кость, так и мягкие ткани, требуется использовать кость из другой части тела пациента или трупа.
Кость должна быть покрыта мягкой тканью с кровотоком, также полученной откуда-то еще, иначе кость умрет. Затем хирургам необходимо восстановить мягкие ткани и кожу.
Озболат и его команда использовали экструзионную биопечать и капельную биопечать смесей клеток и материалов-носителей для печати как костей, так и мягких тканей. Они сообщают о своих результатах в Advanced Functional Materials.
«Не существует хирургического метода одновременного восстановления мягких и твердых тканей», – сказал Озболат. «Вот почему мы стремились продемонстрировать технологию, с помощью которой мы можем реконструировать весь дефект – от кости до эпидермиса – сразу."
Сначала исследователи занялись проблемой замены кости, начав в лаборатории и перейдя к модели на животных. Им нужно было что-то напечатанное и нетоксичное, которое могло бы заделать 5-миллиметровую дыру в черепе. «Чернила твердых тканей» состояли из коллагена, хитозана, нано-гидроксиапатита и других соединений, а также мезенхимальных стволовых клеток – мультипотентных клеток, обнаруженных в костном мозге, которые создают костный, хрящевой и костный жир.
Чернила для твердых тканей выдавливаются при комнатной температуре, но при нанесении нагреваются до температуры тела.
Это создает физическое сшивание коллагена и других частей чернил без каких-либо химических изменений или необходимости в добавке сшивающего агента.
Исследователи использовали капельную печать, чтобы создать мягкую ткань с более тонкими слоями, чем кость. Они использовали коллаген и фибриноген в чередующихся слоях с сшивающими и усиливающими рост соединениями.
Каждый слой кожи, включая эпидермис и дерму, отличается, поэтому слои мягких тканей с биопечатью различались по составу.
Эксперименты по ремонту 6-миллиметровых отверстий в полной толщине кожи оказались успешными. Как только команда разобралась с кожей и костью по отдельности, они перешли к восстановлению обоих во время одной и той же хирургической процедуры.
«Этот подход был чрезвычайно сложным процессом, и мы потратили много времени на поиск подходящего материала для костей, кожи и правильных методов биопечати», – сказал Озболат.
После тщательной визуализации для определения геометрии дефекта исследователи заложили костный слой. Затем они нанесли барьерный слой, имитирующий надкостницу, сильно васкуляризованный тканевой слой, который окружает кость на черепе.
«Нам был нужен барьер, чтобы клетки из слоев кожи не мигрировали в область кости и не начали там расти», – сказал Озболат.
После установки барьера исследователи напечатали слои дермы, а затем эпидермиса.
«Биопринтеру потребовалось менее 5 минут, чтобы сформировать костный слой и мягкие ткани», – сказал Озболат.
Исследователи закрыли более 50 дефектов и достигли 100% закрытия мягких тканей за четыре недели.
Частота закрытия кости составила 80% за шесть недель, но Озболат отметил, что даже при собранном костном заменителе закрытие кости обычно не достигает 100% за шесть недель.
По словам Озболата, приток крови к кости особенно важен, и добавление васкуляризирующих соединений является следующим шагом.
Исследователи также хотят применить это исследование на людях и продолжают работать с нейрохирургами, черепно-челюстно-лицевыми хирургами и пластическими хирургами в Penn State Hershey Medical Center. Они используют более крупное устройство для биопечати на крупных животных.