Imprimarea 3D a țesuturilor vii, în special cea a țesuturilor organice precum cornee, vase de sânge și piele, este o procedură dificilă. În schimb, osul este un amestec de compuși organici și anorganici într-o matrice minerală foarte structurată. Cu alte cuvinte, printarea 3D a structurilor osoase reprezintă o provocare în cadrul unei alte provocări.
Acesta este motivul pentru care bioingenierii au încercat să utilizeze diferite materiale, inclusiv hidrogeluri, materiale termoplastice sau bioceramice pentru crearea unor oase sintetice. În prezent, o echipă de cercetători din cadrul Universității New South Wales din Sydney, Australia, a dezvoltat o cerneală ceramicăm, care poate fi utilizată la temperatura camerei, pentru printarea 3D. În același timp, în cadrul printării, sunt utilizate și celule vii, nefiind nevoie de substanțe chimice toxice. Acest lucru reprezintă o îmbunătățire notabilă față de tehnologiile anterioare. În cele din urmă, noua tehnică ar putea fi utilizată pentru a printa material osos direct în corpul unui pacient, susțin cercetătorii.
„Spre deosebire de materialele utilizate anterior, tehnica noastră oferă o modalitate de a imprima, in situ, materiale care imită structura și compoziția chimică a osului. Oportunitățile sunt nelimitate”, a declarat coautorul studiului, Iman Roohani, bioinginer în cadrul Facultății de Chimie a UNSW, Lucrarea a fost publicată la sfârșitul lunii ianuarie 2021, în cadrul jurnalului Advanced Functional Materials.
Țesutul osos printat 3D prezintă numeroase aplicații medicale, precum studierea bolilor osoase, studierea microambientului unic al osului; și poate cel mai remarcabil, repararea osului deteriorat în urma unor traume. În prezent, standardul pentru repararea oaselor este reprezentat de grefele osoase autologe, ce presupun recoltarea osului dintr-o altă parte a corpului pacientului. Din păcate, grefele autologe sunt asociate cu rate mari de infecție. În plus, acestea nu sunt eficiente dacă cantitatea necesară de material osos este prea mare.
În încercarea lor de a crea un material osos sintetic, cu proprietăți similare grefelor autologe, Roohani, biochimistul Kristopher Kilian și colegii acestora din cadrul UNSW au dezvoltat o cerneală care ar putea fi imprimată 3D într-un mediu apos, precum corpul. După doi ani de rafinare, aceștia au creat un material biocompatibil, pe bază de fosfați de calciul, care formează o pastă la temperatura camerei. Atunci când materialul este introdus într-o baie de gelatină sau în altă soluție, acesta se întărește, formând o matrice nanocristalină, poroasă, similară cu structura țesutului osos nativ.
Pentru a imprima această cerneală, cercetătorii au dotat o imprimantă Hyrel 3D Engine HR cu o duză personalizată. Această imprimantă a fost dotată cu ace, ce prezentau diametre interioare cuprinse între 0,2-0,8 mm. Prin intermediul acelor, cerneala a fost extrudată într-o baie de gelatină, la o temperatură de 37°C. „Tehnica, denumită „COBICS” (bioprintare ceramică omnidirecțională în suspensii celulare), poate fi adaptată și pentru imprimante 3D portabile, pentru ca acestea să poată fi aduse într-o cameră chirurgicală. Pentru fiecare aplicație va fi necesară modificarea parametrilor imprimantei, dar conceptul și principiul tehnicii vor fi similare”, a declarat Roohani.
În cadrul lucrării, echipa a imprimat structuri osoase de mici dimensiuni (de până la jumătate de centimetru cub), într-o baie de gelatină care conținea diferite tipuri celule umane, printre care și osteoblaste. Cerneala a încorporat celulele vii în structură, iar acestea din urmă au aderat și au proliferat la câteva săptămâni după imprimare, prezentând o viabilitate de 95%.
În prezent, echipa de cercetători încearcă să dezvolte o baie potrivită pentru a imprima probe de dimensiuni mai mari. De asemenea, aceștia au demarat o serie de teste pe animale mici pentru a afla dacă o structură printată poate repara o rană cu o eficiență similară grefelor autologe. În viitor, Roohani speră să colaboreze cu chirurgi, stomatologi și alte persoane specializate pentru a explora aplicațiile COBICS în domeniul asistenței medicale și în domeniul cercetării. De asemenea, acesta speră să poată obține aprobarea din partea instituțiilor de reglementare. În SUA, reprezentații FDA au declarat faptul că tehnologiile de imprimare 3D a materialelor osoase sunt eligibile pentru autorizare.