Inżynierowie mechanicy z Uniwersytetu Teksasu w Dallas zaprojektowali wydrukowaną w 3D kość udową, która może pomóc lekarzom przygotować się do operacji mających na celu naprawę kości i opracowanie metod leczenia nowotworów kości.

Inżynierowie, którzy współpracowali z chirurgami ortopedami z UT Southwestern Medical Center, opublikowali w Internecie swoje pierwsze badanie dotyczące kości udowej wydrukowanej na drukarce 3D 5 sierpnia w czasopiśmie Journal of Badań Ortopedycznych.

W badaniu, które skupiało się na środkowej części kości, ustalono parametry druku 3D kości udowej do wykorzystania w testach biomechanicznych. Naukowcy twierdzą, że potrzebne będą dalsze badania, zanim technologia będzie mogła być dostępna do powszechnego stosowania.

Aby badać i walidować innowacyjne implanty i techniki chirurgiczne, chirurdzy przeprowadzają badania biomechaniczne przy użyciu zwłok od dawców lub dostępnych na rynku kości syntetycznych, co pomaga im określić optymalne mocowanie chirurgiczne i przewidzieć reakcję kości. Kości syntetyczne, stosowane również w szkoleniu chirurgicznym, mogą być drogie, ich nabycie może wymagać czasu i nie zapewniać rozwiązań dostosowanych do potrzeb pacjenta.

Dwa lata temu badacze z UT Southwestern zwrócili się do dr Wei Li, eksperta z UT Dallas w dziedzinie technologii druku 3D, aby współpracować nad mniej kosztowną i szybszą alternatywą dla ortopedycznych badań biomechanicznych.

„Aby zaplanować operację, chirurdzy muszą znać geometrię kości” – powiedział Li, adiunkt inżynierii mechanicznej w Szkole Inżynierii i Informatyki im. Erika Jonssona oraz współautor niedawnego badania. „Dzięki drukowi 3D jesteśmy w stanie wydrukować próbkę kości udowej o tej samej geometrii, co kość udowa w ciele”.

Metodą prób i błędów doktorant inżynierii mechanicznej UTD, Kishore Mysore Nagaraja, opracował wiele wersji kości udowej. Mysore Nagaraja, który pracuje w laboratorium Li Comprehensive Advanced Manufacturing Lab, przeprowadził serię testów na każdej sztucznej kości, aby zmierzyć wydajność mechaniczną i właściwości materiału, aby próbki były jak najbardziej podobne do prawdziwych kości udowych.

„To wspólne doświadczenie to najlepsza rzecz, o jaką może prosić student” – powiedział Mysore Nagaraja, który ma ukończyć szkołę w grudniu. „Ocena wyników moich badań bezpośrednio od lekarzy, którzy będą z nich korzystać, stanowi bardzo dobre potwierdzenie naszych badań”.

Replika kości wykonana jest z kwasu polimlekowego, biologicznego, taniego biodegradowalnego polimeru powszechnie stosowanego w druku 3D. Projekt przedstawiający środkową część kości udowej ma prawie 8 cali długości i prawie 1 cal średnicy. W testach biomechanicznych wypadła równie dobrze jak ludzka kość udowa. Naukowcy oszacowali, że wyprodukowanie każdej wydrukowanej w 3D kości udowej kosztuje 7 dolarów.

Li powiedział, że kości wydrukowane w 3D mają szereg potencjalnych zastosowań. Polimer może na przykład zastąpić inne materiały stosowane w naprawie kości, takie jak tytan. Li powiedział, że badacze mogą również drukować guzy na kościach wydrukowanych w 3D i testować metody leczenia na wydrukowanych próbkach. Repliki mogą też pomóc w hodowli ludzkiej tkanki kostnej.

Wśród badaczy z UT Southwestern zaangażowanych w badanie znaleźli się pierwszy autor, dr Robert Weinschenk, chirurg ortopeda-onkolog, oraz dr Richard Samade, chirurg dłoni i kończyn górnych, który prowadzi laboratorium druku 3D. Obaj są adiunktami chirurgii ortopedycznej z dodatkowymi stażami w inżynierii biomedycznej; Samade ma drugą wizytę w chirurgii plastycznej.

„Skontaktowałem się z doktorem Li i jego zespołem i na szczęście przerodziło się to w doskonałą współpracę między nami” – powiedział Weinschenk. „Dzięki wiedzy i umiejętnościom, które dr Samade i ja jako chirurdzy posiadamy – obaj z wykształceniem inżynierskim – w połączeniu z ogromną wiedzą i doświadczeniem doktora Li w zakresie testów mechanicznych oraz jego niesamowitymi zasobami, nasz współpracujący zespół jest wyjątkowo gotowy, aby spróbować stawić czoła tego typu wyzwaniom.”

Dodatkowymi autorami byli była studentka UTD Faiqa Alam BS’23 i dr Blaine Oldham, który w maju ukończył UT Southwestern.