Téma

15. prosince 2022

Kostní tkáňové nosiče z 3D tiskárny zefektivní regeneraci kostí. Jejich receptury testují na FCH VUT

Veronika Melčová z polymerní skupiny FCH VUT zkoumá uplatnění materiálu PHB v regenerativní medicíně.
Léčbu kostí například po nádorech by v budoucnu mohly umožnit tkáňové nosiče z biopolymerů vytvořené 3D tiskem. Receptury polymerních směsí už čtvrtým rokem testují výzkumníci z Ústavu chemie materiálů FCH VUT. Základem je biopolymer poly-3-hydroxybutyrát, na který fakulta získala v roce 2013 i patent. Materiál je biodegradabilní a biokompatibilní – pro využití v medicíně tak má velmi dobré předpoklady.

Poly-3-hydroxybutyrát (PHB) je přírodní polymer vznikající bakteriální fermentací. Širšímu využívání materiálu objeveného ve 20. letech minulého století bránila vysoká výrobní cena. V roce 2013 ale vznikl na FCH VUT patent, který umožňuje výrobu polymeru z odpadních olejů.

„Využijete něco, co je tak špinavé, že by z toho nešel vyrobit ani bio diesel. Pro bakterie je to však potrava, díky které vytvoří cenný materiál. Není to pouze recyklace, ale valorizace a upcyklace,“ vysvětluje Veronika Melčová z polymerní skupiny FCH VUT, která zkoumá uplatnění materiálu v regenerativní medicíně.

Pro svou tvrdost může PHB najít využití jako dočasná náhrada kostí. Pomocí 3D tisku z něj výzkumníci vyrábějí speciální tkáňové nosiče neboli scaffoldy, které fungují jako dočasná mechanická podpora a poskytují vhodné prostředí pro růst kmenových buněk. Aby k tomu došlo, musí být scaffold co nejpodobnější nahrazované tkáni.

Kostní tkáň má – například ve srovnání s chrupavkami – schopnost dobře regenerovat. „Je-li z kosti nutné vyříznout nádor, případně vznikne-li jakýkoliv defekt větší než zhruba2 centimetry, tak už si kost sama neporadí. Lékař to sice zašroubuje, aby se nepohybovala a srostla, ale většinou nesroste ve správné tloušťce. Pacienti pak mají bolesti, případně hrozí riziko zlomeniny. Proto se do daného místa přidávají scaffoldy, které poskytnou dočasnou podporu a vydrží na místě tak dlouho, než kost doroste,“ vysvětluje princip výzkumnice.

Tkáňový nosič musí mít vhodné povrchové vlastnosti, protože každý typ buňky preferuje jiné prostředí. „Zatímco kostní buňky mají rády drsný povrch, buňky chrupavky upřednostnují hladký povrch. Kost má navíc uvnitř odlišnou spongiózní strukturu, kterou se snažíme napodobit právě 3D tiskem,“ podotýká Melčová.

Scaffoldy vytvořené z PHB mají schopnost se v organismu plně rozložit. Okolní tkáň je během několika měsíců absorbuje bez potřeby chirurgického zákroku. A to je právě v kostním inženýrství velká výhoda. Odbourávání materiálu proto musí probíhat ve stejném tempu jako růst kosti.

Výzkumníci z polymerní skupiny proto pět let vyvíjejí a testují receptury na bázi PHB, které by byly vhodné pro tisk kostních scaffoldů. „Máme nyní několik směsí, které mají pozitivní buněčnou odezvu. A jsme schopni optimalizovat celý náročný proces 3D tisku, a to včetně přípravy 3D tiskové struny. Měříme povrchové a mechanické vlastnosti a vytvořené scaffoldy posíláme dál do Ústavu experimentální medicíny AV ČR v Praze na testy s buňkami in vitro.“

Nová metoda 3D tisku polymerních nosičů by mohla být pro lékaře nejen levná, ale i jednoduchá. „Stačilo by pořídit CT snímek a z něj vyexportovat obrázek konkrétní části kosti. Nahrál by se do softwaru, který jej převede na vrstvy. A lékař by mohl sériově vytisknout až 10 kostí na jedné tiskové podložce,“ vysvětluje Melčová. Na stejném principu dnes funguje i 3D tisk kovů pro kloubní náhrady.

Výzkumníci z polymerní skupiny se nyní věnují biodegradačnímu chování polymerů – za jak dlouho se jednotlivé směsi dokážou v organismu plně vstřebat. Pouhé rozložení scaffoldu v těle totiž nestačí. V organismu současně nesmí vyvolávat zánětlivou odezvu ani jej lokálně překyselovat. „Zatím se pohybujeme v řádu měsíců. Odvíjí se to nejen od konkrétní receptury, ale i od pórozity konkrétního nosiče,“ popisuje Melčová.

Kromě medicíny má biodegradabilní polymer z FCH VUT využití také v kosmetice, zemědělství či obalových materiálech.


(mar)

Témata

Související články:
Doktorandka z FCH: Kvalitní přírodní kosmetika bez chemie dělat nejde
Změn se nebojím, baví mě překonávat překážky
Změn se nebojím, baví mě překonávat překážky
Díky speciálnímu filtru z nanovláken mohou v Tanzanii čistit vodu
Vědci z VUT významně pomohli s výrobou ochranných pomůcek a nyní pracují na nových projektech