ייצור עצמות בעזרת מדפסת תלת-מימדית

כדי להכין שתל שיוכל להחליף חלקי עצמות חסרים, פשוט ערבב 30% של עצם טבעית כתושה יחד עם סוג מיוחד של פלסטיק וצור את הצורה הנדרשת בעזרת מדפסת תלת-מימדית 

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

כדי להכין שתל שיוכל להחליף חלקי עצמות חסרים, פשוט ערבב 30% של עצם טבעית כתושה יחד עם סוג מיוחד של פלסטיק וצור את הצורה הנדרשת בעזרת מדפסת תלת-מימדית. המתכון המוצלח הזה נהגה על ידי חוקרים מאוניברסיטת ג’ון הופקינס ופורסם כמאמר בכתב-העת המדעיACS Biomaterials Science & Engineering.

בכל שנה ושנה, אומרים החוקרים, פגמים מולדים, חבלות קשות וניתוחים מותירים כמאתיים אלפי מטופלים הנדרשים להחלפת עצמות בראש או בפנים. באופן רגיל, הטיפול המומלץ עד כה דרש מהמנתחים להסיר חלק מהשׁוֹקִית (אחת משתי עצמות השוק) של המטופל, לחתוך אותה לצורה הכללית המתאימה ולהשתיל אותה במיקום הרצוי. אולם, מסביר הפרופסור להנדסה ביו-רפואיתWarren Grayson, ההליך לא רק שיוצר טראומה לרגל אלא שהוא לפעמים לא מתאים מאחר והשוקית הישרה יחסית לא ניתנת לעיצוב לצורות הכוללות בתוכן מתווה עקמומי וקעור. מגבלה זו הובילה את החוקרים להדפסה תלת-מימדית, או מה שמכונה היום “ייצור מוסף”, המאפשר ייצור של עצמים תלת-מימדים מתוך קובץ מחשב דיגיטלי בעזרת הזרקה של שכבות דקיקות ביותר של חומרים מתאימים.

התהליך מצטיין בהכנת מבנים מדויקים במיוחד – לרבות מבנים מדויקים מבחינה אנטומית – מפלסטיק, אולם “תאים המונחים על גבי משטחי פלסטיק צריכים הכוונה מסוימת על מנת להפוך לתאי עצמות,” מסביר החוקר. “הפיגום האידיאלי הוא בעצם חתיכה נוספת של עצם, אולם בדרך כלל לא ניתן לעצב עצמות טבעיות בצורה מדויקת לחלוטין”. במסגרת הניסויים שלהם, החוקרים התכוונו להכין חומר מרוכב שיוכל לשלב בתוכו את החוזק ויכולת ההדפסה של פלסטיק יחד עם “המידע” הביולוגי האצור בעצם טבעית.

החוקרים התחילו עם החומר פוליקרפולקטון (PCL), פוליאסטר מתכלה ביולוגית המשמש בהכנת פוליאורתאן שאושר על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקאי לשימושים רפואיים אחרים. “החומר PCL ניתך בטמפרטורה של 100-80 מעלות צלזיוס – טווח טמפרטורות הנמוך משמעותית מרוב סוגי הפלסטיק האחרים – כך שזהו חומר ראוי לערבוב עם חומרים ביולוגיים שעלולים להינזק בטמפרטורות גבוהות יותר,” מסביר אחד מהחוקרים. החומר הוא גם חומר די חזק, אולם החוקרים ידעו ממחקרים קודמים כי הוא אינו תומך כראוי ביצירה של עצם חדשה. לשם פתרון הבעיה, הם ערבבו אותו עם כמויות הולכות וגדלות של “אבקת עצמות”, שאותה הם קיבלו מתוך כתישת עצמות נקבוביות הנמצאות ברגליים של פרות לאחר הסרת הרקמות והתאים מאותן עצמות. “אבקת עצמות כוללת בתוכה חלבונים מבניים המתאימים לגוף יחד עם פקטורי גדילה המסייעים לתאי גזע לא בוגרים להתפתח לכדי תאי עצמות,” מסביר החוקר הראשי. “האבקה גם מוסיפה חספוס לחומר PCL, תכונה העוזרת לתאים להיאחז במשטחים ולהגביר את התפקיד של פקטורי הגדילה.”
המבדק הראשון שעברו החומרים החדשים היה יכולתם להיות מודפסים, מסביר החוקר. תערובות בעלות 5, 30 ו-70 אחוזים של אבקת עצמות פעלו כצפוי, אולם תערובת בעלת 85% של אבקת עצמות הכילה כמות קטנה מדי של החומר הדביק PCL מכדי לשמר את המבנה הגבישי החד, ולכן תערובת זו לא שימשה יותר בניסויים שנמשכו. על מנת לבדוק אם הפיגומים מסוגלים לעודד יצירת עצמות, החוקרים הוסיפו תאי גזע אנושיים שנלקחו לאחר ניתוחי שאיבת שומן. לאחר שלושה שבועות, תאים צמחו בתוך התערובת של 70% אבקת עצמות והראו פעילות גנטית הגבוהה פי מאות במסגרת שלושה גנים הקשורים ליצירת עצמות, זאת בהשוואה לתאים שגדלו על פיגומים נקיים. עבור התערובת של 30%, פיגומי אבקת העצמות הראו תוצאות פחות טובות.

לאחר שהמדענים הוסיפו את רכיב המפתח – ביתא-גליצרפוספאט – לתערובת התאים במטרה לאפשר לאנזימים לגרום לשקיעת סידן, המינראל העיקרי בעצמות, התערובות הולידו כמות כפולה של סידן בהשוואה לפיגומים מקוריים. בשלב האחרון, החוקרים בדקו את הפיגומים שלהם בעכברים בעלי נקבים די גדולים שנעשו במכוון בתוך עצם הגולגולת שלהם. ללא כל התערבות, הפצעים שבעצם היו גדולים מדי מכדי להבריא. עכברים שטופלו בשתלי פיגומים שהיו גדושים בתאי גזע הצליחו להצמיח תאי עצם בתוך הנקבים במהלך 12 השבועות של הניסוי. “בשני הניסויים, הפיגום בעל התערובת של 70% עודד את צמיחת העצם הרבה יותר טוב מאשר הפיגום בעל התערובת של 30%,” אומר החוקר, אולם, דווקא התערובת השנייה היא הרבה יותר חזקה. לאור העובדה כי לא היה כל הבדל בין שני הפיגומים מבחינת יכולת הריפוי של עצם הגולגולת של העכברים, החוקרים ממשיכים וחוקרים את התערובות בכדי למצוא מי מהתערובות היא היעילה ביותר.

תקציר המאמר
הידיעה על המחקר

דוגמת פיגום של עצם שהודפסה בעזרת מדפסת תלת-מימדית [באדיבות: Johns Hopkins Medicine]