Биопечать на операционном столе
Фиксация травматических повреждений кожи и костей лица и черепа затруднена из-за множества слоев различных типов тканей, вовлеченных в процесс. Исследователи из Университета штата Пенсильвания восстановили такие дефекты на крысиных моделях с помощью биопечати во время операции.
Эта работа имеет важное клиническое значение, так как дает возможность фиксировать одновременно твердые и мягкие ткани. В настоящее время для фиксации повреждений костей головы требуется использование трансплантата из другой части тела пациента или трупный материал. Кость должна быть покрыта пересаженной мягкой тканью с достаточным кровоснабжением, иначе костная ткань погибнет. Затем хирургам нужно восстановить мягкие ткани и кожу.
Ибрагим Озболат и его коллеги использовали экструзионную и капельную биопечать смесей клеток и материалов-носителей для восстановления как костной, так и мягкой ткани.
Сначала исследователи решили проблему замещения костной ткани. «Твердые» чернила были созданы из коллагена, хитозана, наногидроксиапатита и других соединений и мезенхимальных стволовых клеток – мультипотентных клеток костного мозга, которые создают костную и хрящевую ткани.
Твердые тканевые чернила подаются при комнатной температуре, но при нанесении нагреваются до температуры тела. Это создает физическую сшивку коллагена и других компонентов чернил без каких-либо химических изменений или необходимости в добавке сшивателя.
Чтобы создать мягкую ткань, исследователи использовали капельную печать. Они чередовали слои коллагена и фибриногена со сшивающими и усиливающими рост соединениями. Каждый слой кожи, включая эпидермис и дерму, отличается, поэтому напечатанные слои мягких тканей различались по составу. Эксперименты по восстановлению 6-миллиметрового дефекта кожи оказались успешными.
Схема процесса биопечати кожи и костей.
После того, как исследователи создали кожу и кости отдельно, они перешли к восстановлению обеих структур во время одной хирургической процедуры.
После тщательной визуализации, чтобы определить геометрию дефекта, исследователи уложили костный слой. Затем они нанесли барьерный слой, имитирующий надкостницу. Он был необходим, чтобы клетки из слоев кожи не мигрировали в область костей и не начинали там расти. После установки барьера исследователи напечатали слои дермы, а затем эпидермиса.
Биопринтеру потребовалось менее 5 минут, чтобы уложить костный слой и мягкие ткани.
Исследователи закрыли более 50 дефектов и достигли 100% восстановления мягких тканей за четыре недели и 80% восстановления кости за шесть недель, но Озболат отметил, что даже при трансплантации кости восстановление дефекта обычно не достигает 100% за шесть недель.
По мнению исследователей, приток крови к кости особенно важен, и включение васкуляризирующих соединений является следующим шагом. Они также планируют перевести это исследование на человеческие ткани и продолжают работать с нейрохирургами, черепно-челюстно-лицевыми и пластическими хирургами.
Статья K.K.Moncal et al. Intra-Operative Bioprinting of Hard, Soft, and Hard/Soft Composite Tissues for Craniomaxillofacial Reconstruction опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Penn State: Skin and bones repaired by bioprinting during surgery.