کامپوزیت زیست فعال از ترمیم استخوان های شکسته پشتیبانی می کند!

شکستگی استخوانی که بهبود نمی یابد نشان دهنده بار عظیمی برای بیماران است که اغلب منجر به جراحی های بیشتر می شود.

محققان Fraunhofer در کنار شرکای خود برای ایجاد یک ماده ترکیبی برای استفاده در درمان چنین موارد غیر صنفی کار کرده اند.

ایمپلنت به دست آمده (داربست نامیده می شود) برای بهبود قابل توجهی میزان موفقیت درمان و تسریع روند بهبودی طراحی شده است.

 این ماده از ترکیبی از یک پلیمر زیست تخریب پذیر و شیشه زیست فعال تشکیل شده است و می تواند به عنوان یک ساختار اصلی و نگهدارنده عمل کند.

 هدف آن مهار رشد باکتری در محل زخم و حمایت از رشد ساختارهای استخوانی جدید است.

این مهندسی پزشکی نوآورانه نتیجه پروژه تحقیقاتی مشترک SCABAEGO است که توسط وزارت آموزش و تحقیقات فدرال آلمان (BMBF) تامین می شود.

سالانه حدود 800/000 استخوان شکسته در بیمارستان های آلمان درمان می شوند.

 برای تقریباً 10 درصد از این موارد، عوارض پس از درمان به دلیل عدم بهبود صحیح استخوان اتفاق می‌افتد که منجر به آرتروز کاذب دردناک می‌شود که قرار دادن وزن روی استخوان را غیرممکن می‌کند.

برای بیماران، این اغلب به معنای اقامت طولانی مدت در بیمارستان با جراحی بعدی و درمان طولانی مدت است، در حالی که برای کلینیک ها شامل ارائه درمان زمان بر و پرهزینه است.

به منظور جلوگیری از این اتفاق، موسسه فراونهوفر برای فناوری ساخت و مواد پیشرفته IFAM در برمن اکنون راه حلی زیبا و موثر را از طریق پروژه تحقیقاتی مشترک SCABAEGO (اسکافولد زیست فعال شیشه‌ای تقویت‌شده با استخوان) ارائه کرده است.

هدف این پروژه آزمایش این فرضیه است که استفاده از مواد زیست فعال در عملیات از روند بهبودی پشتیبانی می کند و خطر عفونت را کاهش می دهد.

شرکای این موسسه برای این پروژه، بخش تروما و جراحی ترمیمی در بیمارستان دانشگاه هایدلبرگ و همچنین BellaSeno، یک شرکت متخصص در مهندسی پزشکی مستقر در لایپزیگ هستند.

محققان Fraunhofer IFAM یک ماده کامپوزیت از پلیمر زیست تخریب پذیر پلی کاپرولاکتون (PCL) و شیشه زیست فعال تولید کرده اند.

 سپس از این کامپوزیت برای پرینت سه بعدی ساختارهای اصلی و پشتیبان سفارشی شده برای محل‌های شکستگی استخوان، به نام داربست استفاده می‌شود.

 قبل از این، ساختار استخوان آسیب دیده با استفاده از توموگرافی کامپیوتری (CT) ترسیم می شود.

ساختار مناسب جایگزین قسمت از دست رفته استخوان می شود. سپس با مغز استخوان گرفته شده از تاج ایلیاک یا از استخوان های بلندتر پر می شود.

 این تضمین می‌کند که مواد جایگزین بیولوژیکی استخوان (اتولوگ استخوان کرافت، ABG) به‌طور پایدار محفوظ است و محل شکستگی با خیال راحت بهبود می‌یابد.

مواد کامپوزیت زیست فعال به استخوان تبدیل می شود.

محصول پزشکی نوآورانه مزایای بیشتری را ارائه می دهد. شیشه فعال زیست فعال در داربست، PH محیط اطراف خود را تا قلیایی بالا می برد.

 دکتر کای بورچردینگ، رئیس واحد تجاری فناوری پزشکی و علوم زیستی در Fraunhofer IFAM ، توضیح می‌دهد

که نکته بعدی که می‌خواهیم بررسی کنیم، نتیجه مورد انتظار آن است که مانع رشد باکتری‌ها می‌شود.

محققان انتظار دارند که این به میزان قابل توجهی خطر عفونت پس از عمل را کاهش دهد.

شیشه زیست فعال همچنین از رشد استخوان جدید در محل شکستگی پشتیبانی می کند.

از آنجایی که شیشه در تماس با مایعات بدن است، به هیدروکسیل آپاتیت تبدیل می شود که یک ترکیب شیمیایی است که عمدتاً از فسفات کلسیم و ماده ای بسیار شبیه به استخوان به دست می آید.

 با استفاده از شیشه زیست فعال، می‌توانیم با مشکلاتی که کلینیک‌ها با آن مواجه هستند مقابله کنیم – می‌توانیم رشد باکتری‌ها را مهار کنیم و حمایت مؤثری برای بهبود استخوان ارائه دهیم.

پس از شش تا هفت سال، داربست به طور کامل تجزیه شده و به استخوان تبدیل خواهد شد.»

شیشه زیست فعال در حال حاضر برای درمان نقایص استخوان استفاده می شود. چیزی که جدید است، ترکیب آن با PCL در مقیاس صنعتی است.

محققان Fraunhofer موفق به اتصال شیشه و PCL برای ایجاد یک ماده کامپوزیت شده اند که می تواند مستقیماً در تولید مواد افزودنی استفاده شود.
 نتیجه اصلی این است که می توان داربست های سه بعدی سفارشی تولید کرد. تولید مواد کامپوزیت در مقیاس صنعتی ساده و سریع است.

 پلیمر PCL قبل از انجام مراحل مختلف پردازش با گرانول شیشه و یک حلال مخلوط می شود. در پایان، حلال از طریق خشک کردن حذف می شود و کامپوزیت باقیمانده به خوبی آسیاب می شود.

ساختار پشتیبانی استخوان قابل تنظیم

شریک پروژه BellaSeno با استفاده از یک چاپگر سه بعدی داربست را از این ماده «چاپ» می کند.

 دکتر Mohit Chhaya، مدیر عامل BellaSeno و هماهنگ‌کننده پروژه می‌گوید: «ما از چاپ سه بعدی استفاده می‌کنیم تا بتوانیم هر داربست را به‌صورت جداگانه و متناسب با محل شکستگی برای هر بیمار ایجاد کنیم.

قبل از این، سی تی اسکن از استخوان آسیب دیده گرفته می شود.

 سپس می توان یک تصویر مجازی سه بعدی از استخوان تولید کرد. با استفاده از این داده ها، چاپگر سه بعدی داربستی می سازد که کاملاً متناسب با استخوان است.

هر بیمار یک داربست منحصر به فرد و سفارشی دریافت می کند. گروسنر می‌گوید که این کار از نصب و دوخت مکانیکی زمان‌بر در اتاق عمل جلوگیری می‌کند.

مفهوم جدید برای درمان آسان

فراتر از روش های قبلی، مواد کامپوزیت نوآورانه باید پیشرفت قابل توجهی در درمان ایجاد کند.

تکنیک معاصر شامل پوشاندن محل شکستگی با سیمان استخوان در یک عمل اولیه است.

بدن انسان این سیمان را به عنوان یک ماده خارجی درک می کند و با پریوستوم (غشای استخوانی) از خود محافظت می کند. این به عنوان تکنیک غشای القا شده Masquelet شناخته می شود.

این روند می تواند تا دو ماه طول بکشد. پس از این مدت بیمار باید دوباره تحت عمل جراحی قرار گیرد.

 این بار، جراح پریوستوم را برش می دهد، سیمان را خارج می کند، فضا را با استخوان اتولوگ پر می کند و پریوستوم را دوباره مهر و موم می کند.

 تا به حال، گزینه های کمی برای لنگر انداختن ایمن پینه نرم و در نتیجه بهبود شکستگی بدون مزاحمت وجود داشته است. هنگامی که با یک صفحه یا میخ استفاده می شود، داربست ساختار مورد نیاز را برای پینه نرم فراهم می کند تا زمانی که استخوان ترمیم شود.

تیم تحقیقاتی پروژه SCABAEGO در حال حاضر در حال بررسی این مفهوم in vitro و in vivo با آزمایش‌های بالینی هستند و در کنار بیمارستان دانشگاه هایدلبرگ کار می‌کنند.

در حالی که اینها ادامه دارند، دستور کامپوزیت در حال بهینه سازی است. نسبت شیشه فعال زیستی در داربست می تواند بین 10 تا 30 درصد باشد.

بورچردینگ می‌گوید: «ما در حال آزمایش نسبت‌های مخلوط هستیم تا بتوانیم از ویژگی‌های مثبت بیولوژیکی شیشه تا حد امکان استفاده کنیم و در عین حال استحکام هسته داربست را حفظ کنیم.