Tradycyjne metody wytwarzania szklanych implantów wymagały dotąd ekstremalnie wysokich temperatur przekraczających 1000oC oraz stosowania toksycznych plastyfikatorów. Te ograniczenia skutecznie blokowały medyczne zastosowania druku 3D ze szkła. Zespół pod kierownictwem Jianru Xiao, Tao Chena i Huanana Wanga opracował jednak zupełnie nowe podejście do tego problemu.
Czytaj też: Protezy nie będą już potrzebne? Stworzono niesamowity implant, który przyspiesza regenerację kości
Naukowcy połączyli przeciwnie naładowane cząsteczki krzemionki z jonami wapnia i fosforanu, tworząc specjalny żel nadający się do druku 3D. Materiał utwardza się w temperaturze około 700oC, co stanowi znaczące obniżenie w porównaniu z tradycyjnymi procesami.
Szkło zamiast tradycyjnych biomateriałów? To ma sens
Kluczową innowacją okazało się wykorzystanie nieorganicznych, samoregenerujących się żeli koloidalnych z nanokulek krzemionkowych. Cząsteczki te łączą się dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym, co eliminuje konieczność stosowania szkodliwych dodatków chemicznych.
Czytaj też: Czy da się wydrukować implant w człowieku? Tak, ale potrzeba jeszcze trochę pracy
Jianru Xiao, Tao Chen, Huanan Wang, autorzy badania, mówią:
Ta “zielona” nieorganiczna strategia druku 3D umożliwiła ekonomiczną i zachowującą bioaktywność produkcję substytutów kości na bazie bioszkła, co doprowadziło do poprawy osteogenezy i osteointegracji in vivo.
Samoregenerujące się właściwości materiału znacząco poprawiają jego drukowalność i precyzję kształtowania. Po procesie spiekania struktury zachowują bioaktywność niezbędną do stymulowania wzrostu tkanki kostnej.
Testy przeprowadzone na królikach trwały 8 tygodni i przyniosły interesujące obserwacje. Większość komórek kostnych przyczepiła się do rusztowania z bioszkła, podczas gdy zwykłe szkło nie wykazywało podobnych właściwości. Różnica w skuteczności między materiałami jest wyraźnie widoczna.
Nowy materiał osiągnął moduł ściśliwości na poziomie około 2,3 MPa, co w kontekście zastosowań medycznych stanowi wartość wystarczającą do funkcjonowania jako rusztowanie kostne. Parametr ten może nie robić wrażenia w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami konstrukcyjnymi, ale w medycynie regeneracyjnej okazuje się w pełni funkcjonalny.
Najważniejszym odkryciem jest zdolność bioszkła do podtrzymywania wzrostu kości przez dłuższy czas niż dostępne komercyjne rozwiązania. Materiał niemal dorównuje skutecznością wiodącym produktom stosowanym w implantach stomatologicznych.
Procesy osteogenezy, czyli tworzenia nowej tkanki kostnej, oraz osteointegracji polegającej na wrastaniu implantu w kość, przebiegają wyraźnie sprawniej niż w przypadku standardowych materiałów. To właśnie te parametry decydują o tym, czy organizm zaakceptuje implant, czy go odrzuci.
Chociaż badania skupiały się na zastosowaniach medycznych, naukowcy dostrzegają szerszy potencjał swojej technologii. Może ona znaleźć zastosowanie w przemyśle maszynowym i energetycznym, gdzie potrzebne są materiały o specjalnych właściwościach. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie ACS Nano i stanowią one ważny krok w kierunku komercjalizacji technologii.