Кісткові імплантати, надруковані на 3D-принтері, що вивільняють антибіотики

Дослідники з Університету Чжецзян та Університету Тайчжоу розробили імплантати для фіксації кісток, надруковані на 3D-принтері, які поєднують структурну підтримку з цільовою доставкою антибіотиків. Під керівництвом Лівень Чжана команда використала стереолітографію (SLA) для виготовлення індивідуальних кісткових циліндрів, виготовлених з композитів стоматологічної смоли, просочених цефтріаксоном натрію, антибіотиком, який зазвичай використовується для запобігання інфекціям під час операції.

Ортопедичні імплантати, що використовуються для відновлення кісток, часто обмежені поганою біосумісністю або відсутністю терапевтичної функції. Опубліковане в Nature Scientific Reports, дослідження вирішує обидві проблеми, представляючи імплантат, який не тільки підтримує загоєння кістки, але й допомагає контролювати інфекцію на місці. Виготовлений за допомогою комерційно доступних 3D-принтерів AnycubicPhoton та Mono X, дизайн підкреслює потенціал доступного, налаштовуваного виробництва в медичних установах.

Для створення імплантів команда спочатку розробила спеціальну рецептуру смоли. Вони змішали етоксильований диметакрилат бісфенолу А (BPA2EODMA) з диметакрилатом триетиленгліколю (TEGDMA) у співвідношенні 7:3, що є оптимальною сумішшю для міцності та придатності для друку. Рецептура містила 1% фотоініціатора TPO для забезпечення УФ-затвердіння.

        Використовуючи програмне забезпечення SolidWorks, дослідники розробили імпланти та надрукували їх з роздільною здатністю 50 мікрон, шар за шаром.
Зображення електронного мікроскопа показали щільний, твердий зовнішній шар для механічної міцності, тоді як внутрішній шар залишався пористим, ідеальним для зберігання та повільного вивільнення антибіотика.

Випробування показали, що імплантати можуть витримувати зусилля в діапазоні, необхідному для відновлення кісток, що не несуть навантаження, наприклад, на обличчі або черепі. Імплантати також були протестовані з трьома різними концентраціями антибіотика (1%, 5% та 10%), використовуючи поліетиленгліколь (ПЕГ) для розподілу препарату в смолі. Нижчі концентрації призвели до більш рівномірного розподілу, тоді як вищі рівні сприяли утворенню кристалів, але не погіршували продуктивність.

У лабораторних випробуваннях вивільнення препарату відбувалося за двома стадіями: швидке вивільнення протягом перших 24 годин, а потім повільніша, тривала дифузія. При найвищій концентрації близько 80% антибіотика вивільнялося протягом трьох днів. Дослідники також виявили, що час затвердіння під час друку впливав на швидкість вивільнення препарату. Довший час затвердіння створював щільнішу поверхню, уповільнюючи вивільнення.

Імплантати були протестовані проти поширених патогенів, включаючи золотистий стафілокок, кишкову паличку та кандиду albicans. Усі вони показали чіткий антибактеріальний ефект, пригнічуючи ріст мікробів приблизно на 50% протягом восьми годин.

         
        
       Щоб перевірити, як імплантати працюють у біологічних умовах, команда піддала клітини фібробластів L929 впливу бактеріальних інфекцій. Імплантати, завантажені препаратами, допомогли клітинам вижити зі швидкістю, подібною до тієї, що спостерігається при прямому застосуванні антибіотиків.

Навіть при повних концентраціях екстракту імплантати зберігали понад 70% життєздатності клітин у тестах на цитотоксичність, що відповідає стандартам ISO 10993-5. Хоча один з компонентів смоли, ТPО, може бути токсичним у високих дозах, низькі концентрації, що використовувалися, та процес повного затвердіння, здається, зменшували будь-який значний ризик.

Хоча результати є багатообіцяючими, це дослідження все ще перебуває на ранніх стадіях. Імплантати ще не були випробувані на живих організмах, і потрібна додаткова робота, щоб побачити, як вони працюють з часом та в реальних умовах. Подальші дослідження будуть зосереджені на тестуванні на тваринах, поєднанні різних препаратів для покращення загоєння та пошуку способів запобігання стійкості до антибіотиків.

Доставка ліків через імплантати, надруковані на 3D-принтері, пропонує покращений контроль, цілеспрямоване вивільнення та індивідуальне налаштування для пацієнта порівняно з традиційними методами. Хоча це ще не є масовою практикою, це нова галузь досліджень зі зростаючим потенціалом у таких галузях, як лікування раку, ортопедія та управління інфекціями.