Τα οστά που έχουν υποστεί κάταγμα σε ατύχημα συχνά επουλώνονται χωρίς ιατρική παρέμβαση. Ωστόσο, όταν το κάταγμα είναι ιδιαίτερα σοβαρό ή πρέπει να αφαιρεθεί χειρουργικά ένας όγκος στα οστά, οι γιατροί χρησιμοποιούν εμφυτεύματα για να σταθεροποιήσουν την περιοχή και να υποστηρίξουν την ανάπτυξη νέου οστού.

Τα σημερινά εμφυτεύματα κατασκευάζονται συνήθως από το ίδιο το οστό του ασθενούς, τα λεγόμενα αυτόμοσχεύματα, ή από μεταλλικά και κεραμικά υλικά. Τα αυτόμοσχεύματα απαιτούν μια επιπλέον επέμβαση για τη συλλογή του οστικού ιστού, γεγονός που αυξάνει τον χρόνο ανάρρωσης και τον χειρουργικό κίνδυνο. Τα μεταλλικά εμφυτεύματα μπορούν επίσης να δημιουργήσουν προβλήματα, επειδή είναι πολύ πιο άκαμπτα από τα φυσικά οστά και μπορεί να χαλαρώσουν με την πάροδο του χρόνου, μειώνοντας τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα.

Σχεδιασμός οστικών εμφυτευμάτων που λειτουργούν βάσει της βιολογίας

Το οστό είναι πολύ πιο περίπλοκο από ό,τι φαίνεται. Περιέχει αμέτρητα μικροσκοπικά τούνελ και κοίλους χώρους που είναι απαραίτητοι για την αντοχή και τη λειτουργία του. «Για τη σωστή επούλωση, είναι ζωτικής σημασίας να ενσωματωθεί η βιολογία στη διαδικασία αποκατάστασης», λέει ο Xiao-Hua Qin, καθηγητής Μηχανικής Βιοϋλικών στο ETH Ζυρίχης. Η επιτυχής αποκατάσταση των οστών εξαρτάται από πολλούς τύπους κυττάρων που μετακινούνται πρώτα στο εμφύτευμα και στη συνέχεια συνεργάζονται για να δημιουργήσουν νέο ιστό.

Για να ανταποκριθούν καλύτερα σε αυτή τη βιολογική πολυπλοκότητα, ο Qin και η ομάδα του, σε συνεργασία με τον καθηγητή Ralph Müller του ETH, ανέπτυξαν έναν νέο τύπο υδρογέλης σχεδιασμένο για μελλοντικά οστικά εμφυτεύματα. Το μαλακό υλικό, με υφή παρόμοια με αυτό του τζελ, διαλύεται σταδιακά μέσα στο σώμα και μπορεί τελικά να επιτρέψει την κατασκευή εξατομικευμένων εμφυτευμάτων προσαρμοσμένων στις ανάγκες κάθε ασθενούς. Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Advanced Materials.

Εμπνευσμένο από τη φυσική διαδικασία επούλωσης του σώματος

Όταν ένα οστό σπάει για πρώτη φορά, το σώμα δεν δημιουργεί αμέσως σκληρό ιστό. Αντ' αυτού, σχηματίζει μια μαλακή, διαπερατή δομή. Τις πρώτες ημέρες μετά τον τραυματισμό, αναπτύσσεται αιμάτωμα ή μώλωπας στο σημείο του κατάγματος. Αυτό το προσωρινό ικρίωμα επιτρέπει στα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος και στα κύτταρα αποκατάστασης να μετακινηθούν προς τα εκεί, παρέχοντας ταυτόχρονα θρεπτικά συστατικά. Ένα δίκτυο ινώδους πρωτείνης συγκρατεί αυτά τα κύτταρα. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό το ευέλικτο πλαίσιο μετατρέπεται σιγά-σιγά σε συμπαγές οστό.

Το νέο υδρογέλη έχει σχεδιαστεί για να μιμείται αυτή την πρώιμη φάση επούλωσης. Αποτελείται από 97% νερό και 3% βιοσυμβατό πολυμερές. Για να ελέγχουν πότε και πού σκληραίνει, οι ερευνητές πρόσθεσαν δύο εξειδικευμένα μόρια. Το ένα συνδέει τις αλυσίδες πολυμερούς, ενώ το άλλο αντιδρά όταν εκτίθεται στο φως, ενεργοποιώντας τη διαδικασία στερεοποίησης.

Η Wanwan Qiu, πρώην διδακτορική φοιτήτρια των Qin και Müller, δημιούργησε το μόριο σύνδεσης ειδικά για αυτόν τον σκοπό. «Επιτρέπει την ταχεία δομή των υδρογέλων σε κλίμακα μικρότερη του μικρομέτρου», λέει. Όταν παλμοί λέιζερ συγκεκριμένου μήκους κύματος προσκρούουν στο υλικό, οι αλυσίδες πολυμερούς συνδέονται αμέσως και σχηματίζουν μια στερεή δομή. Οι περιοχές που δεν εκτίθενται στο λέιζερ παραμένουν μαλακές και μπορούν να αφαιρεθούν αργότερα.

Ρεκόρ εκτύπωσης με λέιζερ σε νανοκλίμακα

Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, η ομάδα μπορεί να διαμορφώσει με ακρίβεια το υδρογέλη με εξαιρετική λεπτομέρεια. Το λέιζερ μπορεί να δημιουργήσει δομές μεγέθους μόλις 500 νανομέτρων.

«Τα υδρογέλη μοιάζουν με ζελέ, γεγονός που τα καθιστά δύσκολα στη διαμόρφωση», λέει ο καθηγητής Qin του ETH. «Με το νέο συνδετικό μόριο που αναπτύξαμε, μπορούμε πλέον όχι μόνο να δομήσουμε το υδρογέλη με σταθερό και εξαιρετικά λεπτομερή τρόπο, αλλά και να το παράγουμε με υψηλές ταχύτητες γραφής έως 400 χιλιοστά ανά δευτερόλεπτο. Αυτό είναι ένα νέο παγκόσμιο ρεκόρ».

Στα πειράματά τους, οι ερευνητές παρήγαγαν εξαιρετικά λεπτομερείς δομές υδρογέλης με πρότυπο τα πραγματικά οστά. Χρησιμοποιώντας την ιατρική απεικόνιση ως οδηγό, αναδημιούργησαν το λεπτό πλέγμα που είναι γνωστό ως δοκίδες και που δίνει στα οστά την εσωτερική τους αντοχή.

Τα φυσικά οστά περιέχουν ένα εκπληκτικό δίκτυο καναλιών γεμάτων με υγρό, τα οποία έχουν πλάτος μόνο νανόμετρα. «Ένα κομμάτι οστού μεγέθους ζαριού περιέχει 74 χιλιόμετρα τούνελ», λέει ο Qin. Για σύγκριση, η σήραγγα Gotthard Base Tunnel, η μακρύτερη σιδηροδρομική σήραγγα στον κόσμο, έχει μήκος 54 χιλιόμετρα!

Οι πρώτες εργαστηριακές δοκιμές δείχνουν πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα

Μέχρι στιγμής, το υλικό έχει αξιολογηθεί μόνο σε εργαστηριακά πειράματα. Σε μελέτες σε δοκιμαστικούς σωλήνες, τα οστεοποιητικά κύτταρα μετακινήθηκαν γρήγορα στο δομημένο υδρογέλη και άρχισαν να παράγουν κολλαγόνο, ένα βασικό δομικό στοιχείο των οστών. Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν επίσης ότι το υλικό είναι βιοσυμβατό και δεν βλάπτει αυτά τα κύτταρα. Το βασικό υλικό έχει κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και η ομάδα σκοπεύει να το διαθέσει σε κατασκευαστές ιατρικών προϊόντων.

Ο τελικός στόχος είναι να τεθούν σε κλινική χρήση εμφυτεύματα με βάση το υδρογέλη για την αποκατάσταση σπασμένων οστών. Απαιτούνται ακόμη πρόσθετες έρευνες. Ο Qin προετοιμάζει μελέτες σε ζώα σε συνεργασία με το AO Research Institute Davos. Αυτές οι δοκιμές θα εξετάσουν εάν το υλικό υποστηρίζει την κίνηση των κυττάρων που σχηματίζουν οστά μέσα σε ζωντανούς οργανισμούς και εάν μπορεί να αποκαταστήσει την αντοχή των οστών με την πάροδο του χρόνου.

Πηγή: Science daily