Кости как витраж: хирурги научились вставлять стекло в тело человека

Трудно представить, что стекло может заменить кость, но у этих двух материалов гораздо больше общего, чем кажется на первый взгляд. Исследование, опубликованное в журнале ACS Nano, показало: новое биоактивное стекло, созданное для 3D-печати, способно поддерживать рост костной ткани и может стать перспективным материалом в регенеративной медицине.

Почему стекло похоже на кость

И кости, и стекло обладают особой кристаллической структурой. Это объясняет, почему оба материала хорошо выдерживают вес и давление, но хуже справляются с растяжением. Разница лишь в том, что стекло — это в основном кремний, а он может существовать в жидкой форме и быть напечатан на 3D-принтере, повторяя недостающий участок кости с высокой точностью.

Главная проблема классических материалов

Для большинства видов стекла, пригодных для 3D-печати, нужны токсичные пластификаторы или экстремально высокие температуры плавления — выше 1100 °C. Это делает процесс дорогим и небезопасным для медицинского применения. Поэтому группа исследователей во главе с Цзяньру Сяо, Тао Чэнем и Хуананем Ваном решила создать материал, который можно печатать при щадящих условиях и без токсичных добавок.

Как создали биостекло

Учёные соединили частицы кремния с противоположным зарядом, добавили ионы кальция и фосфата. Эти элементы давно известны как активные стимуляторы роста костной ткани. В результате получился биоактивный стеклянный гель, который можно использовать для печати.

После формирования изделия на 3D-принтере образцы обжигали при сравнительно низкой температуре — всего 700 °C. Полученный каркас оказался прочным и подходящим для закрепления костных клеток.

Испытания на животных

Новый материал протестировали на живых кроликах, у которых были искусственно вызваны повреждения черепа. Для сравнения использовали:

• обычный силикагель, напечатанный на 3D-принтере;

• коммерчески доступный заменитель костной ткани;

• новое биостекло.

Результаты оказались впечатляющими. Коммерческий продукт обеспечивал быстрый рост костей, но биостекло поддерживало этот процесс дольше. Спустя 8 недель на биостеклянном каркасе клетки активно делились и образовывали полноценную ткань. На обычном стекле роста почти не наблюдалось.

Сравнение материалов