Технология 3D-моделирования добралась до человеческого скелета. Японцы на специальном трехмерном принтере распечатывают человеческие кости и вставляют их людям.
Десять японских больниц начали клинические испытания новых черепных имплантатов. Как говорят авторы разработки, испытания продлятся в течение двух лет, в них примут участие не менее 70 пациентов. Технология создания костных имплантатов разработана в Высшей школе медицины Токийского университета (Graduate School of Medicine University of Tokyo) и уже опробована на десяти пациентах в университетском госпитале. Разработчики утверждают, что это первая в мире действующая технология создания имплантатов по индивидуальному макету для каждого пациента.
Японские биоинженеры называют эти имплантаты «КТ-кость». КТ -- компьютерная томография, современный метод визуализации строения организма и протекающих в нем процессов. Он позволяет увидеть строение поврежденной кости в объеме и с высокой точностью. На основе этих данных ученые и строят модель нужного костного имплантата.
[v1]
Распечатка черепа
Сам имплантат изготовляется с помощью 3D-принтера -- специального устройства, создающего объемные физические объекты сложной формы на основе виртуальной 3D-модели. 3D-принтер уже используется в промышленности, например для создания прототипов различных деталей. «Но мы первые, кто использует такой принтер для создания объектов, которые будут имплантированы в человеческое тело», -- говорит участник проекта Чун Ун Ил (Chung Ung-il), профессор биоинженерии Токийского университета.
Как обычный струйный принтер наносит чернила на бумагу, точно так же из специальных струйных головок слой за слоем 3D-принтер наносит порошок ортофосфата кальция и склеивающую (цементирующую) жидкость. Каждый слой имеет толщину всего 0,1 мм, то есть 1 см искусственной кости -- это 100 слоев синтетического костного материала. Такая небольшая толщина слоя позволяет не только точно воспроизвести форму необходимого для трансплантации кусочка кости, но и создать в нем внутренние поры и каналы.
Однако и просто точность формы имплантата уже очень важное достижение. Ортофосфат кальция (в любой форме, спеченная это плотная керамика или спрессованный или склеенный специальным составом порошок) -- очень хрупкий материал. Поэтому при трансплантации традиционных, уже существующих имплантатов, вместо того чтобы подгонять искусственную кость под трещину или другой дефект в человеческом теле, хирурги вынуждены подгонять натуральную человеческую кость под имплантат. При этом удаляется значительный объем живой кости пациента. Подобные проблемы возникают и при имплантации натуральной человеческой костной ткани.
[v2]
К сожалению, пока японские медики могут делать индивидуальные имплантаты только для костей черепа. Причина в низких показателях механической прочности биокерамики из фосфата кальция: она существенно, в десять-сто раз ниже, чем у естественной костной ткани. Однако кости черепа не нагружены весом человеческого тела, так что прочность имплантатов не имеет такого высокого значения.
Почему ортофосфат кальция?
С античных времен медики ищут способы реконструкции костных тканей. Одна из сложнейших задач -- поиск материала для имплантата. Он должен быть как минимум биологически инертным, то есть нетоксичным и устойчивым к биохимическим воздействиям организма. Такие материалы применяются, это титан, прочная керамика (корунд или диоксид циркония) и пластики. Однако при их использовании неизбежны реакции отторжения, так что их применение ограничено.
Материал должен не только приниматься организмом без отторжения и прочих побочных эффектов. Он должен быть биологически активным, то есть взаимодействовать с тканями и жидкостями в человеческом теле. Еще лучше, если искусственная костная ткань будет постепенно замещаться натуральной. Долгое время среди медиков существовало мнение, что полной биосовместимостью обладают только аутогенные ткани, взятые из организма самого пациента. Но ученые не хотят мириться с таким ограничением и разрабатывают синтетические материалы, которые организм не смог бы отличить от аутогенной ткани.
Одним из самых перспективных веществ для создания имплантатов ученые считают ортофосфат кальция, а в идеале -- так называемый гидроксиапатит кальция, ведь минеральная составляющая костной ткани представлена именно им.
[v3]
Что касается клинических испытаний имплантатов, разработанных в Японии, медики и инженеры возлагают на них большие надежды. По словам авторов, предыдущие исследования показали, что имплантаты замещаются регенерирующей костной тканью за один-два года в зависимости от сложности и объема поврежденного участка. Разработчики утверждают, что родная кость пациента действует как инкубатор. Она порождает новые клетки, которые внедряются в имплантированные ткани и постепенно превращают их в натуральные. Такой метод ученые называют инженерией костной ткани в теле.
Лучшие кости -- детям
Один из руководителей исследования -- хирург-ортопед, профессор Токийского университета Цуиоси Такато (Tsuyoshi Takato) надеется, что в случае успеха клинических испытаний КТ-кости начнут имплантировать детям. Ведь если ребенку необходима костная ткань для имплантации в случае каких-то повреждений или неправильного развития, ее нельзя взять из растущего организма. Это может ему сильно навредить: дефекты, образованные при изъятии донорской ткани, будут быстро расти вместе с костью. Однако есть и плюсы в том, что скелет ребенка развивается значительно быстрее, чем у взрослого. «Наша технология может помочь детям. Имплантат будет быстро замещаться родной костной тканью ребенка и расти вместе с костью», -- предполагает Такато.
Работа японских биоинженеров не останавливается. Пока их имплантаты содержат только сквозные каналы. В них по задумке должны будут прорастать кровяные сосуды, несущие жизнь синтетической кости. Но сейчас японцы работают над созданием КТ-костей второго поколения, содержащих вещества и материалы, которые и должны инициировать процессы образования родной костной ткани. Это могут быть стволовые клетки самого пациента, а также вещества, помогающие связывать имплантат с родной костью, лекарственные препараты, факторы роста, коллаген и другие белки.
