Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ένα εργαλείο κατασκευασμένο από ένα τροποποιημένο πιστόλι κόλλας που μπορεί να εκτυπώσει τρισδιάστατα μοσχεύματα οστών απευθείας πάνω σε κατάγματα και ελαττώματα κατά τη διάρκεια χειρουργικής επέμβασης.

Το εργαλείο, που περιγράφεται στο περιοδικό Device, έχει δοκιμαστεί σε κουνέλια για τη γρήγορη δημιουργία σύνθετων οστικών εμφυτευμάτων χωρίς την ανάγκη προκατασκευής. Επιπλέον, η ομάδα βελτιστοποίησε τα τρισδιάστατα εκτυπωμένα μοσχεύματα για υψηλή δομική ευελιξία, απελευθέρωση αντιφλεγμονωδών αντιβιοτικών και προώθηση της φυσικής αναγέννησης των οστών στο σημείο του μοσχεύματος.

Ιστορικά, τα οστικά εμφυτεύματα κατασκευάζονταν από μέταλλο, οστά δοτών ή, πιο πρόσφατα, από τρισδιάστατα εκτυπωμένο υλικό. Ωστόσο, σε περιπτώσεις ακανόνιστων καταγμάτων οστών, αυτά τα εμφυτεύματα πρέπει να σχεδιάζονται και να παράγονται πριν από τη χειρουργική επέμβαση, ώστε να είναι δυνατή η κατάλληλη τοποθέτησή τους.

«Η τεχνολογία που προτείνουμε προσφέρει μια ξεχωριστή προσέγγιση, αναπτύσσοντας ένα σύστημα εκτύπωσης in situ που επιτρέπει την κατασκευή και εφαρμογή ενός ικριώματος σε πραγματικό χρόνο απευθείας στο χειρουργικό σημείο», λέει ο Jung Seung Lee, συν-συγγραφέας και αναπληρωτής καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Sungkyunkwan.

«Αυτό επιτρέπει την εξαιρετικά ακριβή ανατομική αντιστοίχιση ακόμη και σε ακανόνιστα ή σύνθετα ελαττώματα, χωρίς την ανάγκη προεγχειρητικής προετοιμασίας, όπως απεικόνιση, μοντελοποίηση και διαδικασίες κοπής».

Το υλικό που τροφοδοτείται στο πιστόλι κόλλας είναι ένα νήμα που αποτελείται από δύο κύρια συστατικά: ένα χαρακτηριστικό του φυσικού οστού που είναι γνωστό ότι προάγει την επούλωση, το υδροξυαπατίτη (HA), και ένα βιοσυμβατό θερμοπλαστικό, το πολυκαπρολακτόνη (PCL).

Το PCL μπορεί να υγροποιηθεί σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο 60 °C, οι οποίες, όταν εφαρμόζονται με θερμοτροποποιημένο πιστόλι κόλλας, είναι αρκετά χαμηλές ώστε να αποτρέπουν τη βλάβη των ιστών κατά τη χειρουργική εφαρμογή, ενώ ταυτόχρονα μπορούν να προσαρμοστούν στις οδοντωτές αυλακώσεις του σπασμένου οστού.

Ρυθμίζοντας την αναλογία HA προς PCL εντός του νήματος, η ομάδα μπορεί να προσαρμόσει τη σκληρότητα και την αντοχή των μοσχευμάτων ώστε να ταιριάζουν σε διαφορετικές ανατομικές ανάγκες.

«Επειδή η συσκευή είναι συμπαγής και χειροκίνητη, ο χειρουργός μπορεί να προσαρμόσει την κατεύθυνση, τη γωνία και το βάθος εκτύπωσης κατά τη διάρκεια της επέμβασης σε πραγματικό χρόνο», λέει ο Lee.

«Επίσης, αποδείξαμε ότι αυτή η διαδικασία μπορεί να ολοκληρωθεί σε λίγα λεπτά. Αυτό υπογραμμίζει ένα σημαντικό πλεονέκτημα όσον αφορά τη μείωση του χειρουργικού χρόνου και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της διαδικασίας σε πραγματικές χειρουργικές συνθήκες».

Αντιβακτηριακή δράση

Δεδομένου ότι η λοίμωξη είναι ένα κοινό πρόβλημα με τα χειρουργικά εμφυτεύματα, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν βανκομυκίνη και γενταμικίνη, δύο αντιβακτηριακές ενώσεις, στο νήμα.

Τόσο σε καλλιέργεια Petri όσο και σε υγρό μέσο, το ικρίωμα νήματος ανέστειλε με επιτυχία την ανάπτυξη των E. coli και aureus, δύο κοινών βακτηρίων που είναι επιρρεπή σε λοίμωξη μετά από χειρουργική επέμβαση. Λόγω των φυσικών ιδιοτήτων του HA και του PCL στο νήμα, τα φάρμακα απελευθερώνονται αργά και μπορούν να διαχυθούν απευθείας στο χειρουργικό πεδίο για αρκετές εβδομάδες.

«Αυτή η τοπική προσέγγιση χορήγησης προσφέρει σημαντικά κλινικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη συστηματική χορήγηση αντιβιοτικών, καθώς μειώνει τις πιθανές παρενέργειες και περιορίζει την ανάπτυξη αντοχής στα αντιβιοτικά, ενώ παράλληλα προστατεύει αποτελεσματικά από τη μετεγχειρητική λοίμωξη», λέει ο Lee.

Ως απόδειξη της αποτελεσματικότητας της μεθόδου, η συσκευή δοκιμάστηκε σε σοβαρά κατάγματα μηριαίου οστού σε κουνέλια. Εντός 12 εβδομάδων μετά τη χειρουργική επέμβαση, η ομάδα δεν βρήκε σημάδια λοίμωξης ή νέκρωσης και διαπίστωσε καλύτερα αποτελέσματα αναγέννησης των οστών σε σύγκριση με τα κουνέλια στα οποία είχε γίνει μεταμόσχευση με οστικό τσιμέντο, ένα σφραγιστικό υλικό που χρησιμοποιείται συνήθως για τη θεραπεία ο

«Το ικρίωμα σχεδιάστηκε όχι μόνο για να ενσωματώνεται βιολογικά με τον περιβάλλοντα οστικό ιστό, αλλά και για να αποικοδομείται σταδιακά με την πάροδο του χρόνου και να αντικαθίσταται από νεοσχηματισμένο οστό», λέει ο Lee.

«Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ομάδα εκτύπωσης παρουσίασε ανώτερα αποτελέσματα σε βασικούς δομικούς παράγοντες, όπως η επιφάνεια του οστού, το πάχος του φλοιού και η πολική ροπή αδρανείας, δείχνοντας πιο αποτελεσματική επούλωση και ενσωμάτωση του οστού».

Στη συνέχεια, η ομάδα στοχεύει στην περαιτέρω βελτιστοποίηση του αντιβακτηριακού δυναμικού του ικριώματος και στην προετοιμασία της διαδικασίας για κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους.

«Η κλινική υιοθέτηση θα απαιτήσει τυποποιημένες διαδικασίες κατασκευής, επικυρωμένα πρωτόκολλα αποστείρωσης και προκλινικές μελέτες σε μεγάλα ζωικά μοντέλα, προκειμένου να πληρούνται τα πρότυπα κανονιστικής έγκρισης», λέει ο Lee.

«Εάν αυτά τα βήματα επιτευχθούν με επιτυχία, οραματιζόμαστε ότι αυτή η προσέγγιση θα γίνει μια πρακτική και άμεση λύση για την αποκατάσταση των οστών απευθείας στο χειρουργείο».