Ossos de impressão sob demanda podem curar rapidamente ferimentos graves

Se você quebrar um osso no futuro, uma impressora 3D e um pouco de tinta especial podem ser seu melhor remédio. Os pesquisadores criaram o que chamam de osso hiperelástico, que pode ser fabricado sob demanda e funciona quase tão bem quanto o real, pelo menos em macacos e ratos. Embora não estejam prontos para serem implantados em seres humanos, os bioengenheiros estão otimistas de que o material pode ser um salto muito necessário para reparar lesões que variam de ossos quebrados pelo câncer a crânios quebrados.

Essa é uma maneira elegante de superar os desafios que enfrentamos na geração de substituições ósseas '', diz Jos Malda, engenheiro de biomateriais da Universidade de Utrecht, na Holanda, que não participou do trabalho. O andaime é mais simples de fabricar do que os outros e oferece mais benefícios.

Atualmente, os cirurgiões substituem ossos quebrados ou ausentes por várias coisas. A opção mais comum é um autoenxerto, em que um pedaço de osso é retirado do próprio corpo do paciente, geralmente de um quadril ou costela, e implantado onde é necessário em outro local do mesmo paciente. s esqueleto. Os cirurgiões preferem os autoenxertos porque são ossos reais completos com células-tronco que dão origem a cartilagens e células ósseas para fornecer suporte extra para o novo enxerto. (Os seres humanos podem regenerar esqueletos inteiros do zero com células-tronco, mas o osso existente pode sinalizar as células-tronco para onde crescer e em que crescer.) O que é mais, porque a nova substituição óssea vem de um paciente O corpo é próprio, não há risco de rejeição imunológica. Mas apenas uma parte do esqueleto de uma pessoa está disponível para enxertia, e isso acontece com outra cirurgia dolorosa e recuperação para o paciente.

Outra opção de substituição óssea é a criação de um andaime para o osso crescer. Esses andaimes, feitos de materiais naturais e sintéticos, funcionam como o enquadramento de um edifício. Quando inseridas no corpo, as células-tronco se prendem à estrutura e se diferenciam nas células que começam a formar ossos, assim como os trabalhadores da construção montam paredes, pisos e vidro em torno das vigas de aço de um arranha-céu.

Ou, pelo menos, é assim que deve funcionar, como em um autoenxerto, as células-tronco nem sempre se transformam no osso ou na cartilagem necessária por causa da composição do material do andaime. Os pesquisadores conseguiram que as células-tronco crescessem em um material cerâmico chamado fosfato de cálcio (CaP), mas esse andaime é rígido e quebradiço, dificultando o implante nos pacientes. Para piorar a situação, o sistema imunológico ocasionalmente vê esses andaimes como estranhos e os ataca, impedindo o crescimento ósseo. E se um andaime for usado para regenerar ossos pequenos, como muitos encontrados no rosto, por exemplo, os médicos se preocupam com o fato de que levaria muito tempo e dinheiro para fazê-los com CaP.

Pesquisadores da Northwestern University, Evanston, no Illinois, estão trabalhando em um material para remediar todos esses problemas. Seu osso hiperelástico é um tipo de andaime composto de hidroxiapatita, um mineral que existe naturalmente em nossos ossos e dentes, e um polímero biocompatível chamado policaprolactona e um solvente. A hidroxiapatita fornece força e oferece pistas químicas para as células-tronco para criar ossos. O polímero de policaprolactona agrega flexibilidade e o solvente une as camadas impressas em 3D à medida que evapora durante a impressão. A mistura é misturada com uma tinta distribuída pela impressora, camada por camada, em formas exatas que correspondem ao osso que precisa ser substituído. A ideia é que um paciente entre com um osso quebrado e desagradável, diga, uma mandíbula quebrada e, em vez de passar por cirurgias dolorosas de autoenxerto ou esperar que um andaime personalizado seja fabricado, ele pode ser x- e um andaime ósseo hiperelástico impresso em 3D poderia ser impresso no mesmo dia.

"Estamos imprimindo andaimes flexíveis que incentivam o crescimento do osso através e ao redor deles", diz Ramille Shah, engenheiro de ciência dos materiais e co-autor do estudo.

Para testar seu material, a equipe testou seu andaime impresso em 3D como um material para fundir vértebras espinhais em ratos. Seu objetivo era verificar se o material conseguia travar duas vértebras adjacentes e outros andaimes comumente usados ​​no tratamento de pacientes com lesão medular. Oito semanas depois que os pesquisadores do Noroeste implantaram o osso hiperelástico, descobriram que novos vasos sanguíneos haviam crescido no cadafalso - um passo necessário para manter vivo o tecido formador de ossos - e o osso calcificado começou a se formar a partir das células-tronco existentes nos ratos. A combinação fundiu as vértebras de forma mais eficiente do que os controles que receberam um enxerto ósseo de um doador ou quase nada, relatam os pesquisadores hoje na Science Translational Medicine.

Os pesquisadores também usaram osso hiperelástico para reparar o crânio danificado de um macaco. Após 4 semanas com um implante ósseo hiperelástico, o andaime foi infiltrado com vasos sanguíneos e algum osso calcificado. Igualmente importante, o macaco não sofreu efeitos biológicos adversos, como inflamação ou infecção, que muitos implantes sintéticos podem causar.

Como os materiais de tinta - ou seja, a hidroxiapatita, juntamente com o polímero e o solvente - são comumente usados ​​em laboratórios de engenharia biomédica, diz Malda, os ossos hiperelásticos seriam baratos para imprimir. Além disso, os pesquisadores foram capazes de criar os andaimes com a rapidez da luz pelos padrões de impressão 3D, em menos de 5 horas para cada um. Isso significa que futuros andaimes podem ser impressos com especificações exatas, o que seria útil na reconstrução facial, ou impressos em folhas que os cirurgiões poderiam cortar e colar da forma que desejarem, diz Shah. "O céu é o limite para as aplicações deste material."

Ainda assim, o trabalho precisa ser replicado muitas vezes antes de ser implementado em seres humanos, diz Scott Hollister, engenheiro biomédico da Universidade de Michigan, Ann Arbor, que não participou do estudo. Se for, isso pode ser um benefício para pacientes em todo o mundo. "A capacidade de imprimir facilmente implantes personalizáveis ​​é um grande avanço e ofereceria muitas oportunidades em áreas como cirurgia plástica, remoção e reparo de tumores".