ביו-חומר להדפסה תלת-ממדית של עצמות

מהנדסים הצליחו לפתח דיו למדפסת תלת-ממדית המאפשר ייצור של שתלי עצמות סינתטיות המעודדות צמיחה מחדש והתפתחות של תאי עצם. חומר עצמות זה, שאת מבנהו ניתן להתאים באופן פשוט, יוכל ביום מן הימים להיות שימושי עבור הטיפול של ליקויי עצמות בילדים, לדוגמה.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
מהנדסים הצליחו לפתח דיו למדפסת תלת-ממדית המאפשר ייצור של שתלי עצמות סינתטיות המעודדות צמיחה מחדש והתפתחות של תאי עצם. חומר עצמות זה, שאת מבנהו ניתן להתאים באופן פשוט, יוכל ביום מן הימים להיות שימושי עבור הטיפול של ליקויי עצמות בילדים, לדוגמה.
מהנדסים מאוניברסיטת נורת’ווסטרן הצליחו לפתח דיו למדפסת תלת-ממדית המאפשר ייצור של שתלי עצמות סינתטיות המעודדות צמיחה מחדש והתפתחות של תאי עצם. ניתוח להשתלת עצמות הוא אף פעם לא ניתוח פשוט, והוא מכאיב ומסובך במיוחד כאשר הוא נעשה בילדים. גם עבור ילדים וגם עבור מבוגרים, לרוב העצם המושתלת שנועדה להחליף את העצם החסרה נלקחת מאזור אחר בגוף, כורח העלול לגרום לסיבוכים ולכאב גם במקום אחר בגוף. לעיתים קרובות עושים שימוש בשתלים מתכתיים, אולם הפתרון הזה אינו מהווה פתרון קבוע לילדים גדלים. “למבוגרים יש יותר אפשרויות מבחינת שתלים”, אמרה החוקרת הראשית Ramille N. Shah. “כאשר המטופלים הם ילדים, אין כך הדבר. אם בוחרים בשתל קבוע, אזי צריכים לבצע ניתוחים נוספים בעתיד ככל שהם מתבגרים והגוף גדל. במקרים אלו, הילדים עשויים לחוות שנים של קשיים וכאבים”.

החוקרת, וצוות המחקר שלה, ביקשו לשנות את אופיים של שתלי עצמות, ובמיוחד לסייע למטופלים ילדים. המחקר החדש, הבוחן את יעילותו של החומר במסגרת תאי גע אנושיים וכן במודלים של בע”ח, פורסם בכתב העת המדעי Science Translational Medicine. החומר החדשני של צוות המחקר הינו ביו-חומר המורכב מתערובת של הידרוקסיאפטיט (מלח סידן הנמצא באופן טבעי בעצמות אדם) ושל פולימר ביו-מתפרק המתאים לגוף המשמש ביישומים רפואיים רבים, כולל בתפרים. החומר החדש הציג ביצועים טובים במודלים של בע”ח במערכות חיות, כאשר הצלחתו טמונה בתכונות הייחודיות של המבנה המודפס בעזרתו. “נקבוביות הינה גורם חשוב מאוד בכל הקשור להתחדשות של רקמות, מאחר ואנו רוצים שהתאים וכלי הדם יחדרו לתוך הפיגומים ויצמחו שם”, מסבירה החוקרת הראשית. “למבנה התלת ממדי שלנו יש רמות משתנות של נקבוביות המהוות בכך יתרון גדול מבחינת תכונות פיזיקאליות וביולוגיות”.

למרות שכבר הוכח כי הידרוקסיאפטיט מצליח להשרות התחדשות עצם, העבודה אתו מאוד מאתגרת. מוצרים קליניים המתבססים על הידרוקסיאפטיט או חומרים קרמיים אחרים המורכבים מזרחות סידן, הם קשיחים ושבירים. על מנת לפצות על כך, מחקרים קודמים עשו שימוש במבנים המורכבים בעיקר מפולימרים, אולם שכבה פולימרית זו ממסכת את הפעילות של הביו-חומר. החומר החדש, לעומת זאת, מורכב מ-90% הידרוקסיאפטיט ורק 10% של פולימר, תוך שהוא עדיין שומר על הגמישות שלו בזכות העיצוב של המבנה ואופן הדפסתו. הריכוז הגבוה של הידרוקסיאפטיט מייצר סביבה נוחה להשראה מהירה של התחדשות עצם.
“התאים יכולים לחוש בנוכחותו של החומר הידרוקסיאפטיט ולהגיב אליו”, מסבירה החוקרת. “כאשר ממקמים תאי גזע על הפיגומים שיצרנו, הם הופכים במהרה לתאי עצם ומתחילים לווסת את הגנים הספציפיים האחראים ליצירת תאי עצם. זאת ללא הוספה של חומרים אחרים המעודדים צמיחת עצמות. התוצאה הזו מתקבלת בזכות יחסי הגומלין שבין התאים לבין החומר עצמו בלבד”. יתרון נוסף טמון בכך שניתן לשלב חומרים אחרים בתהליך ההדפסה התלת-ממדית. לאור העובדה כי תהליך ההדפסה מתבצע בטמפרטורת החדר, החוקרים הצליחו לשלב חומרים אחרים, כגון חומרים אנטיביוטיים, בדיו עצמו. “שילוב החומרים האנטיביוטיים חשוב בכדי למנוע זיהום אפשרי במהלך הכנסת השתל עצמו”, מסבירה החוקרת. בנוסף, החוקרים יוכלו לשלב חומרים נוספים כגון גורמי גדילה בכדי לעודד צמיחה יעילה ומהירה עוד יותר של תאי העצם. “החומר החדש שלנו הוא ממש רב-תפקודי”, מציינת החוקרת.
ואחרי כל האמור מעלה, אחד מהיתרונות הגדולים ביותר הוא היכולת להתאים באופן אישי את המוצר המוגמר למטופל. בניתוחים רגילים של השתלת עצם, העצם – לאחר שנלקחה מחלק אחר בגוף, צריכה לעבור שינויי מבנה ותיקונים בכדי שתתאים במדויק לאזור הניתוח. עכשיו, עם החומר הסינתטי החדש, הרופאים פשוט יסרקו את הגוף של המנותח וידפיסו במדפסת תלת-ממדית את החלק החסר במדויק. לחילופין, בזכות התכונות המכאניות שלו, ניתן יהיה לחתוך את ביו-החומר המוגמר לצורה ולגודל הרצויים עוד במסגרת ההליך עצמו. לא רק שהשיטה מהירה יותר, היא גם מונעת את הכאבים הכרוכים בהסרת חלקי עצמות מהגוף. החוקרת חוזה כי בעתיד בתי חולים יוכלו להדפיס את החלק החסר והמותאם במדויק למנותח, בעוד זה ממתין בתור.

הידיעה על המחקר

תקציר המאמר