Хрящ – это гибкая соединительная ткань, которая находится в таких местах, как суставы и между позвонками в позвоночнике. По сравнению с другими типами соединительной ткани восстановить непросто.
Исследователи из Имперского колледжа Лондона и Университета Милана-Бикокка разработали биостеклянный материал, имитирующий амортизирующие и несущие свойства настоящего хряща. Он может быть сформулирован так, чтобы проявлять различные свойства, и теперь они надеются использовать его для разработки имплантатов для замены поврежденных хрящевых дисков между позвонками.
Они считают, что он также может стимулировать рост хрящевых клеток в коленях, что ранее было невозможно с помощью обычных методов.
Биостекло состоит из диоксида кремния и пластика или полимера под названием поликапролактон. Он обладает хрящевидными свойствами, в том числе гибкостью, прочностью, долговечностью и эластичностью.
Он может быть изготовлен в форме биоразлагаемых чернил, что позволяет исследователям распечатать его в 3D-структурах, которые стимулируют образование и рост хрящевых клеток в колене – процесс, который они продемонстрировали в пробирках.
Он также проявляет свойства самовосстановления при повреждении, что может сделать его более эластичным и надежным имплантатом, а также облегчить 3D-печать, когда он находится в форме чернил.
Одна формулировка, разработанная командой, может обеспечить альтернативное лечение пациентов с повреждением межпозвоночных дисков.
Когда хрящ в позвоночнике дегенерирует, пациенты испытывают изнуряющую боль, и текущее лечение включает слияние позвонков. Это снижает подвижность пациента.
Ученые полагают, что они смогут разработать синтетические имплантаты из биостеклянного хрящевого диска, которые будут иметь те же механические свойства, что и настоящий хрящ, но для которых не потребуются металлические и пластиковые устройства, доступные в настоящее время.
Другая формула может улучшить лечение людей с поврежденным хрящом в колене, говорят ученые.
В настоящее время хирурги могут создавать шрамоподобную ткань для восстановления поврежденного хряща, но в конечном итоге большинству пациентов требуется замена суставов, что снижает подвижность.
Команда стремится «напечатать» крошечные биоразлагаемые каркасы, используя свои биостеклянные чернила. Эти биоразлагаемые каркасы обеспечат шаблон, который воспроизводит структуру настоящего хряща в колене.
При имплантации сочетание структуры, жесткости и химического состава биостекла будет стимулировать рост хрящевых клеток через микроскопические поры. Идея состоит в том, что со временем каркас будет безопасно разрушаться в организме, оставляя на его месте новый хрящ, имеющий аналогичные механические свойства с исходным хрящом.
Профессор Джулиан Джонс, один из разработчиков биостекла из Департамента материалов Imperial, сказал: «Биостекло существует с 1960-х годов, первоначально оно было разработано примерно во время войны во Вьетнаме, чтобы помочь залечить кости ветеранов. которые были повреждены в результате конфликта. Наши исследования показывают, что новую гибкую версию этого материала можно использовать в качестве материала, похожего на хрящ.
"Пациенты с готовностью подтвердят потерю подвижности, которая связана с деградированными хрящами, и то, на что они готовы пойти, чтобы облегчить часто мучительную боль. Нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем эта технология достигнет пациентов, но мы сделали несколько важных шагов в правильном направлении, чтобы продвинуть эту технологию на рынок, что в конечном итоге может принести облегчение людям во всем мире."
Исследователи получили финансирование от Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам, чтобы вывести свои технологии на новый уровень.
Они намерены провести испытания этой технологии в лаборатории и разработать хирургический метод установки имплантатов. Они также будут работать с рядом промышленных партнеров для дальнейшего развития технологий 3D-производства.
Профессор Джастин Кобб – заведующий кафедрой ортопедической хирургии Медицинского факультета Империал. Он будет одним из ведущих на следующем этапе исследования.
Профессор Кобб добавил: «Эта новая формулировка и метод производства позволят Джулиану и его команде разработать новое поколение биоматериалов. Сегодня самые эффективные искусственные суставы более чем в тысячу раз жестче обычных хрящей. Хотя они работают очень хорошо, обещание нового класса материалов для подшипников, которые близки к природе и могут быть напечатаны на 3D-принтере, действительно впечатляет.
«Используя технологическую платформу Джулиана, мы сможем восстановить гибкость и комфорт жестких суставов и позвоночника без использования жесткого металла и всех связанных с ним проблем."
Профессор Лаура Чиполла с факультета биотехнологии и биологических наук Миланского университета Бикокка добавила: «Основываясь на нашем опыте химической модификации био- и наноструктурированных материалов, белков и углеводов, мы разработали новый химический подход для того, чтобы чтобы заставить органический компонент поликапролактон оставаться вместе стабильным образом с неорганическим компонентом диоксидом кремния."
В команду также входят аспирантка Франческа Таллиа из Департамента материалов Imperial и старший научный сотрудник Лаура Руссо из Департамента биотехнологии и биологических наук Университета Милана-Бикокка.
Перед достижением клинических применений для обоих приложений технологии еще предстоит преодолеть ряд нормативных препятствий.
Команда прогнозирует, что обе технологии выйдут на рынок через десять лет. Они запатентовали технологию с Imperial Innovations – партнером колледжа по коммерциализации технологий.