Nízkoteplotní 3D tisk polymer/fosfátové kostní náhrady modifikované bioaktivními látkami

Low-temperature 3D printing of bioactive modified polymer/phosphate bone implants

abstract

Czech

V rámci projektu profiBONEvyvíjíme plně resorbovatelnou kompozitní náhradu kosti, kterou je možné vytisknout extruzí při nízké (laboratorní) teplotě do formy personalizovaného 3D modelu. Samotný polymer-keramický materiál se sice in vivo přestavuje do formy nové kosti (nepublikované výsledky), nicméně vhodná bioaditiva by mohla osseointegraci urychlit, případně by mohla zabránit nežádané infekci. My jsme se rozhodli použít růstový faktor, který urychluje hojení a regeneraci tkání. Neb se jedná o protein, bylo nutné zajistit, aby během tisku či vytvrzování kostního implantátu nedocházelo k exotermní reakci a nenastala denaturace proteinu. Proto byl použit kompozitní systém, který je izotermní a vytvrzuje se při teplotě lidského těla. Povytvrzení byl implantát vložen do simulované tělní tekutiny při 37 °C a v jednotlivých odběrových časech bylo sledováno uvolňování aditivovaného proteinu. Nicméně, během preliminárních testů jsme nebyli schopni žádný protein detekovat Bradfordovou metodou pomocí UV-VIS, zřejmě kvůli velice nízké koncentraci proteinu, která byla pod detekčním limitem použité metodiky. Původně jsme si mysleli, že je protein kovalentně fixován v keramické matrici implantátu a není možné, aby se uvolnil. Nicméně, po optimalizaci metody ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay), která je účinná i pro velmi nízké koncentrace proteinů, bylo možno uvolněné množství proteinu detekovat. Bylo otestováno i zapouzdření proteinu, zabraňující nežádoucím interakcím protein-matrice, ale výsledky jeho uvolňování se významně nelišily od nezapouzdřeného proteinu. Metoda bude ještě reprodukována a ověřena i pro jiné proteiny, případně i antibakteriální enzymy.

As part of the profiBONE project, we are developing a fully resorbable composite bone replacement that can be printed by extrusion at low (laboratory) temperature in the form of a personalized 3D model. Although the polymer-ceramic material itself rebuilds into the form of new bone in vivo (unpublished results), however, suitable bioadditives could speed up osseointegration or prevent unwanted infection. We decided to use a growth factor that accelerates healing and tissue regeneration. If it is a protein, it was necessary to ensure that no exothermic reaction and protein denaturation occurred during printing or curing of the bone implant. Therefore, a composite system was used, which is isothermal and hardens at the temperature of the human body. After confirmation, the implant was inserted into a simulated body fluid at 37 °C and the release of additive protein was monitored at individual sampling times. However, during preliminary tests we were not able to detect any protein by the Bradford method using UV-VIS, probably due to the very low concentration of the protein, which was below the detection limit of the methodology used. We originally thought that the protein was covalently fixed in the ceramic matrix of the implant and that it was impossible for it to come loose. However, after optimizing the ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) method, which is effective even for very low protein concentrations, it was possible to detect the released amount of protein. Encapsulation of the protein, preventing unwanted protein-matrix interactions, was also tested, but the results of its release were not significantly different from the unencapsulated protein. The method will still be reproduced and verified for other proteins, possibly even antibacterial enzymes.

kostní vstřebatelný cement, přímý nízkoteplotní 3D tisk, bioaktivní látky, SAOS-2 buňky, in vivo, model defektu femorální kosti

bone resorbable cement, direct low-temperature 3D printing, bioactive substances, SAOS-2 cells, in vivo, femoral bone defect model

VOJTOVÁ, L.; LYSÁKOVÁ, K.; KADLECOVÁ, Z.; RASZKOVÁ, A.; MENČÍK, P.

19. 9. 2023

České vysoké učení technické v Praze

Praha

978-80-01-07212-7

Biomateriály a jejich povrchy XVI.

1

84

84

97

https://www.irsm.cas.cz/ext/biomaterialy/download/BIOMATERIALY_A_JEJICH_POVRCHY_XVI.pdf