Костные имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, высвобождающие антибиотики

Исследователи из Университета Чжэцзян и Университета Тайчжоу разработали имплантаты для фиксации костей, напечатанные на 3D-принтере, сочетающие структурную поддержку с целевой доставкой антибиотиков. Под руководством Ливень Чжана команда использовала стереолитографию (SLA) для изготовления индивидуальных костных цилиндров, изготовленных из композитов стоматологической смолы, пропитанных цефтриаксоном натрия, антибиотиком, обычно используемым для предотвращения инфекций во время операции.

Ортопедические имплантаты, используемые для восстановления костей, часто ограничены плохой биосовместимостью или отсутствием терапевтической функции. Опубликованное в Nature Scientific Reports исследование решает обе проблемы, представляя имплантат, который не только поддерживает заживление кости, но и помогает контролировать инфекцию на месте. Изготовленный с помощью коммерчески доступных 3D принтеров Anycubic Photon и Mono X, дизайн подчеркивает потенциал доступного, настраиваемого производства в медицинских учреждениях.

Для создания имплантов команда изначально разработала специальную рецептуру смолы. Они смешали этоксилированный диметакрилат бисфенола А (BPA2EODMA) с диметакрилатом триэтиленгликоля (TEGDMA) в соотношении 7:3, что является оптимальной смесью для прочности и пригодности для печати. Рецептура содержала 1% фотоинициатора TPO для обеспечения УФ отверждения.

        
      
      Используя программное обеспечение SolidWorks, исследователи разработали импланты и напечатали их с разрешением 50 микрон, слой за слоем. После печати детали дополнительно затвердели для обеспечения полного отверждения. Изображения электронного микроскопа показали плотный, жесткий наружный слой для механической прочности, тогда как внутренний слой оставался пористым, идеальным для хранения и медленного высвобождения антибиотика.

Испытания показали, что имплантаты могут выдерживать усилия в диапазоне, необходимом для восстановления костей, не несущих нагрузки, например на лице или черепе. Имплантаты также были протестированы с тремя разными концентрациями антибиотика (1%, 5% и 10%), используя полиэтиленгликоль (ПЭГ) для распределения препарата в смоле. Низшие концентрации привели к более равномерному распределению, тогда как более высокие уровни способствовали образованию кристаллов, но не ухудшали производительность.

В лабораторных испытаниях высвобождение препарата происходило по двум стадиям: быстрое высвобождение в течение первых 24 часов, а затем более медленная, длительная диффузия. При высокой концентрации около 80% антибиотика высвобождалось в течение трех дней. Исследователи также обнаружили, что время отверждения при печати влияло на скорость высвобождения препарата. Длительное время отверждения создавало более плотную поверхность, замедляя высвобождение.

Имплантаты были протестированы против распространенных патогенов, включая золотистый стафилококк, кишечную палочку и кандиду albicans. Все они показали четкий антибактериальный эффект, подавляя рост микробов примерно на 50% в течение восьми часов.

       
     
     Чтобы проверить, как имплантаты работают в биологических условиях, команда подвергла клетки фибробластов L929 воздействию бактериальных инфекций. Имплантаты, загруженные препаратами, помогли клеткам выжить со скоростью, подобной наблюдаемой при прямом применении антибиотиков.

Даже при полной концентрации экстракта имплантаты сохраняли более 70% жизнеспособности клеток в тестах на цитотоксичность, что соответствует стандартам ISO 10993-5. Хотя один из компонентов смолы, ТРО, может быть токсичным в высоких дозах, использовавшиеся низкие концентрации и процесс полного отверждения, кажется, уменьшали любой значительный риск.

Хотя результаты многообещающие, это исследование все еще находится на ранних стадиях. Имплантаты еще не были испытаны на живых организмах, и необходима дополнительная работа, чтобы увидеть, как они работают со временем и в реальных условиях. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на тестировании на животных, сочетании различных препаратов для улучшения заживления и поиска способов предотвращения антибиотиков.

Доставка лекарств через имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, предлагает улучшенный контроль, целенаправленное высвобождение и индивидуальную настройку для пациента по сравнению с традиционными методами. Хотя это еще не является массовой практикой, это новая область исследований с растущим потенциалом в таких областях, как лечение рака, ортопедия и управление инфекциями.