Решетки из карбоновой 3D-печати помогают регенерации костей

Ученые впервые системно протестировали 3D-печатные решетчатые структуры из чистого углерода для восстановления костной ткани. Эксперименты показали: эти микроскопические каркасы безопасны, стимулируют рост клеток и обладают прочностью, сравнимой с натуральной костью.

Создание сложных трехмерных решетчатых структур из углеродных материалов с помощью 3D-печати смолой и применением пиролиза. Здесь белая структура изготовлена из фотоотвержденной смолы, а черные — это углеродные структуры после пиролиза, что иллюстрирует значительную усадку, происходящую в процессе пиролиза.

Источник: IMDEA Materials Institute

Большинство современных каркасов для восстановления костей изготавливаются из полимеров или керамики. Но первые не выдерживают нагрузку, а вторые сложно обрабатывать на микроскопическом уровне. Исследователи из IMDEA Materials предложили принципиально другой подход — создание каркасов из пиролитического углерода (PyC), полученного из фотополимерной смолы PEGDA. Их выводы, опубликованы в журнале Small Structures.

В отличие от графена или углеродных нанотрубок, в этом случае структура полностью состоит из углерода. Сначала ее печатают из фотополимерной смолы, а затем превращают в углерод при температуре от 410 до 900°C.

(a): Фото образцов до (белый, PEGDA) и после (черный, PyC) пиролиза, заметна сильная усадка. (b) и (c): изображения под микроскопом подтверждают, что структура сохраняется, несмотря на усадку. (d) и (e): чем выше температура пиролиза, тем тоньше решетка и больше усадка. (f): термогравиметрический анализ показывает резкое снижение массы при 400–500°C. (g) и (h): ИК-спектры фиксируют выделение газов (CO₂, CH₂ и др.) во время пиролиза, особенно при температуре максимального разложения.

Источник: Small Structures

Во время пиролиза каркас уменьшается в размерах до 80% и сохраняет геометрию с высокой точностью. При этом параметры материала можно программировать через выбор температуры: чем выше температура, тем выше прочность и электропроводность. При 900°C модуль упругости достигает 36,9 ГПа, что сопоставимо с костной тканью.

Углеродные каркасы показали отличную совместимость с клетками: мышиные предостеобласты прочно прикреплялись к поверхности, равномерно распространялись по всей решетке и активно делились. Особенно активно клетки размножались на образцах, обработанных при 500°C, где оставалось больше кислородных групп, повышающих гидрофильность.

Однако именно жесткие каркасы, полученные при 900°C, сильнее всего стимулировали превращение клеток в остеобласты. Анализ экспрессии генов показал, что эти образцы активируют сигнальные пути, запускающие костеобразование.

(a–c): решетка, обработанная при 500°C — клетки растут, но поверхность пористая и неровная. (d–f): при 700°C структура стабильнее, клетки хорошо прикреплены и равномерно распределены. (g–i): при 900°C поверхность становится более плотной, клетки образуют вытянутые отростки. Слева — флуоресцентные изображения: красный цвет — цитоскелет, голубой — ядра клеток. Центр и справа — снимки с электронного микроскопа.

Источник: Small Structures

Такие структуры могут использоваться как в восстановлении губчатой кости, так и в будущем: при создании носителей с заданной механикой, для загрузки стволовыми клетками или в биомедицинской электронике.

Ранее российские ученые рассказывали о том, какой материал больше всего подходит для костных имплантатов.