Când o fractura osoasa este prea severa pentru a se vindeca de la sine, chirurgii recurg adesea la grefe sau implanturi metalice rigide, dar ambele vin cu dezavantaje serioase.
Cercetatorii de la ETH Zürich au creat un hidrogel asemanator jeleului, care imita procesul natural de vindecare al corpului, oferind o alternativa potential revolutionara. Compus din 97% apa, acest material moale poate fi imprimat cu laser în structuri osoase complexe, la viteze record, cu detalii mai subtiri decât un fir de par uman.
Dezavantajele implanturilor osoase
Oasele fracturate într-un accident (de schi) se vindeca adesea fara interventie medicala. Totusi, când fractura este deosebit de severa sau când o tumora osoasa trebuie îndepartata chirurgical, medicii se bazeaza pe implanturi pentru a stabiliza zona si a sustine cresterea osoasa noua.
Implanturile actuale sunt de obicei fabricate din osul propriu al pacientului – asa-numita autogrefa – sau din materiale metalice si ceramice. Autogrefele necesita o operatie suplimentara pentru recoltarea tesutului osos, ceea ce creste timpul de recuperare si riscul chirurgical.
Implanturile metalice pot crea si ele probleme, deoarece sunt mult mai rigide decât osul natural si se pot slabi în timp, reducând stabilitatea pe termen lung. Osul este mult mai complex decât pare. El contine nenumarate tuneluri microscopice si spatii goale esentiale pentru rezistenta si functie. „Pentru o vindecare adecvata, este vital ca biologia sa fie integrata în procesul de reparare”, spune Xiao-Hua Qin, profesor de Inginerie a Biomaterialelor la ETH Zürich.
Repararea reusita a osului depinde de mai multe tipuri de celule care trebuie sa migreze mai întâi în implant, apoi sa lucreze împreuna pentru a construi tesut nou. Pentru a se potrivi mai bine cu aceasta complexitate biologica, Qin si echipa sa, împreuna cu profesorul Ralph Müller, au dezvoltat un nou tip de hidrogel destinat implanturilor osoase viitoare. Materialul moale, similar cu textura jeleului, se dizolva treptat în corp si ar putea permite în cele din urma implanturi personalizate adaptate fiecarui pacient.
Inspirat din procesul natural de vindecare
Când un os se fractureaza initial, corpul nu creeaza imediat tesut dur. În schimb, for-meaza o structura moale si permeabila. În primele zile dupa leziune se dezvolta un hematom la locul fracturii. Acest schelet temporar permite celulelor imune si de reparare sa migreze, în timp ce livreaza nutrienti. O retea de fibrina tine aceste celule împreuna. În timp, acest cadru flexibil se transforma lent în os solid. Hidrogelul nou dezvoltat este conceput sa imite aceasta faza timpurie de vindecare, el fiind compus din 97% apa si 3% polimer biocompatibil.
Pentru a controla când si unde se întareste, cercetatorii au adaugat doua molecule specializate. Una leaga lanturile polimerice, în timp ce cealalta reactioneaza la expunerea la lumina, declansând procesul de solidificare. Wanwan Qiu, fosta doctoranda a lui Qin si Müller, a creat molecula de legatura special în acest scop. „Aceasta permite structurarea rapida a hidrogelurilor în gama submicrometrica”, spune ea.
Când impulsuri laser de o lungime de unda specifica lovesc materialul, lanturile polimerice se leaga imediat si formeaza o structura solida. Zonele neexpuse la laser ramân moi si pot fi îndepartate ulterior. Folosind aceasta tehnica, echipa poate modela hidrogelul cu o precizie exceptionala.
Laserul poate crea structuri de doar 500 de nanometri. „Hidrogelurile seamana cu jeleul, ceea ce le face dificil de modelat”, spune profesorul ETH Qin. „Cu molecula noua de legatura, putem nu doar sa structuram hidrogelul într-un mod stabil si extrem de fin, ci si sa-l producem la viteze mari de scriere, de pâna la 400 de milimetri pe secunda. Este un nou record mondial.”
Primele teste de laborator
În experimentele lor, cercetatorii au produs structuri de hidrogel extrem de detaliate, modelate dupa oase reale. Folosind imagistica medicala ca ghid, ei au recreat reteaua delicata cunoscuta sub numele de trabeculi, care confera osului rezistenta interna.
Osul natural contine o retea uluitoare de canale umplute cu fluid, cu latimi de ordinul nanometrilor. „O bucata de os de marimea unui zar contine 74 de kilometri de tuneluri”, spune Qin. Pentru comparatie, Gotthard, cel mai lung tunel feroviar din lume, masoara 54 de kilometri.
Pâna acum, materialul a fost evaluat doar în experimente de laborator. În studii in vitro, celulele formatoare de os au migrat rapid în hidrogelul structurat si au început sa produca colagen, un bloc de constructie cheie al osului.
Cercetatorii au confirmat, de asemenea, ca materialul este biocompatibil si nu dauneaza acestor celule. Materialul de baza a fost brevetat, iar echipa intentioneaza sa-l puna la dispozitia producatorilor medicali. Scopul final este introducerea implanturilor bazate pe hidrogel în utilizare clinica pentru repararea oaselor fracturate.
Qin pregateste acum studii pe animale, teste care vor examina daca materialul sustine migrarea celulelor formatoare de os în organisme vii si daca poate restaura rezistenta osoasa în timp.
GABRIEL TUDOR
Comentarii