Piezoelektricitet je dobro prepoznat kao ključni faktor u regeneraciji kostiju. Međutim, sadašnje aditivno proizvedene skele se uglavnom fokusiraju na rekonstrukciju bioničke topološke strukture i mehaničkog mikrookruženja, dok je ključno električno mikrookruženje (EM) u regeneraciji kosti zanemareno.
Istraživanje, objavljeno u International Journal of Ektreme Manufacturing, pokazuje ogroman potencijal 3D/4D štampanja bio-piezoelektričnih skela za sledeću generaciju inženjeringa koštanog tkiva.
Postoji značajan jaz između mogućnosti trenutnih tehnika 3D/4D štampanja i zahteva kliničke primene bio-piezoelektričnih skela. Njegov razvoj zahteva zajednički napor multidisciplinarnih studija uključujući nauku o materijalima, mašinstvo i bioinženjering. Njegovo široko usvajanje takođe bi trebalo da crpi inspiraciju iz nekih najsavremenijih tehnologija kao što su inteligentna proizvodnja, bionička medicina i mašinsko učenje.
„U principu, ovo otvara dizajn i proizvodnju pametne biološke piezoelektrične skele koja promoviše popravku kostiju oponašajući ključno električno mikrookruženje tkiva“, rekao je Annan Chen, postdoktorski saradnik na Gradskom univerzitetu u Hong Kongu i prvi autor studije. .
„U suštini, on nudi novo prosvetljenje ka potencijalnom prodoru u izgradnji pametnih skela za inžinjering koštanog tkiva sledeće generacije“, rekli su prof. gradskog univerziteta u Hong Kongu.
Ova piezoelektričnost je demonstrirana u ljudskim kostima, koje stvaraju pozitivna i negativna naelektrisanja kada su podvrgnute kompresiji ili napetosti. Na primer, ljudska tibija može da generiše piezoelektrični potencijal od ~300 μV tokom hodanja. Stoga, piezoelektrični materijali pokazuju jedinstvene prednosti u simulaciji EM koštanog tkiva, što može značajno unaprediti metabolizam ćelija i formiranje nove kosti.
Površinski naboji piezoelektričnih materijala mogu privući jone da promovišu ćelijsku adheziju kroz interakciju jona ili naelektrisanja, kao i da aktiviraju ekspresiju faktora rasta da poboljšaju proliferaciju ćelije i osteogenu diferencijaciju.
Bio-piezoelektrične skele proizvedene aditivima mogu rekonstruisati željeno tkivo EM kroz neinvazivnu ultrazvučnu stimulaciju. Ovo vremenski zavisno ponašanje 3D struktura koje menjaju funkcionalnost kada su izložene spoljašnjim stimulusima, takođe se definiše kao četvorodimenzionalno (4D) štampanje. Ove nove 4D bio-piezoelektrične skele koje pomeraju funkcionalnost mogu da obezbede vremenski zavisno programabilno elektrofiziološko mikrookruženje kao odgovor na spoljašnje stimuluse za regeneraciju tkiva.
Čen je počeo da eksperimentiše sa nekim biološkim piezoelektričnim materijalima bez olova koji su otkriveni pre mnogo godina, ali su uglavnom ignorisani. Fokusirao se na 3D/4D štampanje bio-piezoelektričnih materijala za napredne biološke primene.
Na zaprepašćenje naučnika, bio-piezoelektrični materijali su pokazali odličnu obradivost i biokompatibilnost. Štaviše, bili su višećelijski inducibilni. „Otkrili smo da njihovo električno mikrookruženje može da izazove diferencijaciju koštanih ćelija, promoviše regrutovanje vaskularnih ćelija i popravku nervnih ćelija“, rekao je Čen. To pokazuje veliki potencijal za kliničku primenu.
Ali za kliničku medicinu, najupečatljivije je bilo to što je strategija rekonstitucije bio-piezoelektrične skele bila minimalno invazivna ili neinvazivna. „Posle programabilnog ultrazvučnog ili magnetnog tretmana kao daljinskog mehaničkog stimulusa, električna stimulacija na zahtev in vivo sa podesivom vremenskom linijom, trajanjem i snagom može biti isporučena“, rekao je Jan.
Čen, Jan, Lu i njihova laboratorija radili su sa drugim naučnicima širom univerziteta kako bi pokušali da kombinuju prednosti više disciplina kako bi promovisali 3D/4D pametne piezoelektrične biološke skele u više medicinskih aplikacija. „Radimo kooperativno istraživanje sa stručnjacima iz ortopedije, stomatologije, onkologije i drugih oblasti i postigli smo očekivane rezultate istraživanja“, rekao je Čen.
Tokom godina, tehnologija 3D/4D štampanja je ugradila mnoge prednosti uočene u tradicionalnim tehnikama proizvodnje. Iako je još dug put od klupe do kreveta, tim izražava optimizam u pogledu budućnosti 3D/4D štampanja. „3D/4D štampanje bio-piezoelektričnih skela u potpunosti integriše prednosti višestrukih disciplina kao što su nauka o materijalima, mašinstvo i bioinženjering, a njegov veliki razvoj zahteva multidisciplinarni zajednički napor“, rekao je profesor Lu.
„Uz zajedničke napore multidisciplinarnih studija, očekivalo se da će 3D/4D štampanje uskoro dostići svoj puni potencijal u stvaranju pametnih bio-piezoelektričnih skela za tkivno inženjerstvo sledeće generacije. Osim toga, takođe možemo da crpimo inspiraciju iz nekih najsavremenijih tehnologija kao što su kao inteligentna proizvodnja, bionička medicina i mašinsko učenje, kako bi se dalje promovisala klinička primena ove tehnologije.“
