Gerry Koons, een MD / PhD-student aan het Rice and Baylor College of Medicine, bereidt een 3D-geprinte bioreactor voor op tests. (Credit: Jeff Fitlow / Rice)
Een nieuwe techniek laat levend bot groeien om craniofaciale verwondingen te herstellen door een 3D-bedrukte bioreactor - in feite een schimmel - aan een rib te bevestigen.
Stamcellen en bloedvaten uit het rib infiltreren steigermateriaal in de mal en vervangen dit door op maat gemaakt natuurlijk bot voor de patiënt.
Bio-ingenieur Antonios Mikos, een pionier op het gebied van tissue engineering, en zijn collega's combineerden technologieën die ze gedurende een decennium lang programma hebben ontwikkeld. Het doel is om craniofaciale reconstructie te bevorderen door gebruik te maken van de natuurlijke genezende krachten van het lichaam.
Onderzoekers ontwikkelden een techniek om op maat gemaakte botimplantaten te laten groeien om kaakblessures van de eigen rib van de patiënt te herstellen. (Credit: Mikos Research Group)
De techniek wordt ontwikkeld om huidige reconstructietechnieken te vervangen die gebruikmaken van bottransplantaatweefsels uit verschillende delen van een patiënt, zoals het onderbeen, de heup en de schouder.
Botvervanger
"Een belangrijke innovatie van dit werk is het gebruik van een 3D-geprinte bioreactor om bot te laten groeien dat in een ander deel van het lichaam is gegroeid, terwijl we het defect primen om het nieuw gegenereerde weefsel te accepteren," zegt Mikos, hoogleraar bio-engineering en chemische en biomoleculaire engineering bij Rice Universiteit en lid van de National Academy of Engineering en National Academy of Medicine.
"Eerdere studies vestigden een techniek voor het maken van bottransplantaten met of zonder hun eigen bloedtoevoer van echt bot geïmplanteerd in de borstholte," zegt co-auteur Mark Wong, een professor, voorzitter en programmadirecteur van de afdeling orale en maxillofaciale chirurgie bij de School van de tandheelkunde aan het University of Texas Health Science Center in Houston.
“Deze studie heeft aangetoond dat we levensvatbare bottransplantaten kunnen maken van kunstmatige botvervangende materialen. Het grote voordeel van deze benadering is dat u niet het eigen bot van een patiënt hoeft te oogsten om een bottransplantaat te maken, maar dat andere niet-autogene bronnen kunnen worden gebruikt, "zegt hij.
Gebreid en bedekt
Om hun concept te bewijzen, maakten de onderzoekers een rechthoekig defect in de onderkaken van schapen. Ze creëerden een sjabloon voor 3D-afdrukken en drukten een implanteerbare mal en een afstandhouder af, beide gemaakt van PMMA, ook bekend als botcement. Het doel van de spacer is om genezing te bevorderen en te voorkomen dat littekenweefsel de plaats van het defect vult.
Ze verwijderden voldoende bot uit de rib van het diermodel om het periosteum bloot te leggen, dat diende als een bron van stamcellen en vaatstelsel om steigermateriaal in de mal te zaaien. Testgroepen omvatten gemalen ribbot of synthetische calciumfosfaatmaterialen om de biocompatibele steiger te maken.
De mal, met de ribzijde open om een strak interface te creëren, bleef negen weken op zijn plaats voordat deze werd verwijderd en naar de plaats van het defect werd overgebracht, waarbij het afstandsstuk werd vervangen. In de diermodellen groeide het nieuwe bot dat tot op het oude en zachte weefsel was gebreid rond en bedekte het de site.
Waarom ribben?
"We hebben ervoor gekozen ribben te gebruiken omdat ze gemakkelijk toegankelijk zijn en een rijke bron van stamcellen en bloedvaten zijn, die het schavot infiltreren en uitgroeien tot nieuw botweefsel dat bij de patiënt past," zegt Mikos. "Er is geen behoefte aan exogene groeifactoren of cellen die het regelgevingsgoedkeuringsproces en de vertaling naar klinische toepassingen zouden bemoeilijken."
Ribben bieden nog een voordeel. "We kunnen potentieel nieuw bot tegelijkertijd op meerdere ribben laten groeien", zegt co-auteur Gerry Koons, een MD / PhD-student aan het Rice and Baylor College of Medicine die momenteel in het lab van Mikos werkt.
Het gebruik van PMMA voor de schimmel en afstandhouder was een eenvoudige beslissing, zegt Mikos, omdat het al tientallen jaren wordt gereguleerd als een medisch hulpmiddel voor biologische toepassingen. In de Tweede Wereldoorlog, toen gevechtsvliegtuigen PMMA-voorruiten gebruikten, merkten artsen dat scherven ingebed in gewonde piloten geen ontsteking veroorzaakten en beschouwden het daarom als goedaardig. Hoewel het oorspronkelijke doel van de studie is om de behandeling van verwondingen op het slagveld te verbeteren, omvat het grote beeld ook civiele operaties.
De resultaten verschijnen in de Proceedings van de National Academy of Sciences.
Over de auteurs
Aanvullende coauteurs zijn van Rice; het University of Texas Health Science Center in Houston; Baylor College of Medicine; Synthasome, Inc., San Diego; en Radboud Universitair Medisch Centrum, Nederland.
Het Armed Forces Institute of Regenerative Medicine heeft het onderzoek gefinancierd. Aanvullende ondersteuning voor het onderzoek kwam van de National Institutes of Health, de Osteo Science Foundation, het Barrow Scholars Program en de Robert and Janice McNair Foundation.
Bron: Rice University
books_science
