Вчені створили портативний принтер для друку кісток прямо під час операції

Науковці з Університету Сонкюнкван у Південній Кореї представили революційну технологію, яка може змінити підхід до лікування переломів кісток. Вони розробили портативний пристрій для друку кісткових імплантатів безпосередньо під час хірургічного втручання, який нагадує звичайний клейовий пістолет із крамниці для рукоділля.

Замість гарячого клею цей інноваційний інструмент видавлює спеціальну суміш біорозчинного пластику та мінералів. Отримані каркаси зростаються з пошкодженими кістками, вивільняють антибіотики та поступово розчиняються в міру загоєння організму.

Нова технологія, відома як портативний принтер для друку кісток на місці, дозволяє обійти тривалий процес проектування та виготовлення кісткових імплантатів поза організмом, який зазвичай займає кілька місяців.

«Наша запропонована технологія пропонує унікальний підхід шляхом розробки системи друку на місці, яка забезпечує виготовлення та застосування каркасу в режимі реального часу безпосередньо в місці хірургічного втручання», — заявив Чон Сон Лі з Університету Сонкюнкван у прес-релізі.

Пристрій працює шляхом плавлення біосумісного термопластику під назвою поліkapролактон у поєднанні з гідроксиапатитом — мінералом, який природно зустрічається в кістковій тканині. Суміш завантажується в пістолет у вигляді твердих стержнів, нагрівається до температури трохи вище 60 градусів Цельсія — достатньо низької, щоб не пошкодити тканини — і видавлюється в переломи як розплавлена кісткова паста.

Змінюючи співвідношення поліkapролактону до гідроксиапатиту, хірурги можуть регулювати твердість, гнучкість та швидкість розкладання імплантату. Низький вміст гідроксиапатиту робить трансплантат більш клейким, а високий — стимулює відновлення кісткової тканини.

«Це дозволяє досягти високої точності анатомічної відповідності навіть при неправильних або складних дефектах без необхідності передопераційної підготовки, такої як візуалізація, моделювання та процеси обрізання», — пояснив Лі.

Краса цього підходу полягає в швидкості. Друк може зайняти хвилини, порівняно з годинами або днями для виготовлення індивідуальних трансплантатів. А ручна конструкція означає, що хірург може нахиляти, повертати або нашаровувати матеріал відповідно до вимог перелому.

Одним із найнебезпечніших ускладнень імплантатів є інфекція. До однієї третини відкритих переломів розвиваються бактеріальні інфекції, які можуть руйнувати кістку та змушувати видаляти імплантати. Щоб протидіяти цьому, команда вбудувала антибіотики, такі як ванкоміцин та гентаміцин, у свій матеріал для друку.

Тести показали, що надруковані каркаси повільно вивільняли ліки протягом тижнів. Вони пригнічували кишкову паличку та золотистий стафілокок — бактерії, які часто вражають хірургічних пацієнтів.

«Цей підхід локалізованої доставки пропонує значні клінічні переваги порівняно з системним введенням антибіотиків», — пояснив Лі, зазначивши, що це може зменшити побічні ефекти та сповільнити розвиток стійкості до антибіотиків.

У своєму експериментальному дослідженні науковці створили важкі переломи стегнової кістки у кроликів. Деякі тварини отримали кістковий цемент — поширений, але нерозчинний наповнювач. Інші отримали надруковані трансплантати. Через дванадцять тижнів група з надрукованими імплантатами показала сильніше відновлення кісток, більш щільну тканину та відсутність інфекцій.

Гістологічні зрізи та мікро-КТ сканування показали, що каркаси не просто утримували перелом разом — вони направляли клітини на відбудову нової кістки. Імплантати повільно розкладалися, звільняючи місце для природної тканини.

Проте автори залишаються обережними. Вони визнають, що каркаси потребують покращеної адгезії, більшої довговічності та тестування на більших тваринах перед випробуваннями на людях. Як зазначається в статті, «клінічне впровадження потребуватиме стандартизованих виробничих процесів, перевірених протоколів стерилізації та доклінічних досліджень на великих тваринних моделях для відповідності стандартам регуляторного схвалення».

Травми кісток є одними з найпоширеніших у медицині, а великі дефекти часто потребують донорських трансплантатів або металевих протезів. Ці варіанти несуть ризики: відторгнення, погану відповідність або стресові переломи через роки.

На відміну від цього, принтер для друку на місці обіцяє щось ближче до наукової фантастики: персоналізовані кісткові латки, що розчиняються, виготовлені на місці. Це крок до операційних залів, де тривимірний друк є не просто інструментом планування, а хірургічним інструментом.

Як каже Лі, бачення є чітким: «Ми передбачаємо, що цей підхід стане практичним та негайним рішенням для відновлення кісток безпосередньо в операційній залі».

Результати дослідження були опубліковані в журналі Device. Ця технологія може стати проривом у галузі ортопедичної хірургії, пропонуючи швидке, персоналізоване та ефективне рішення для лікування складних переломів кісток.