Česko-Islandský projekt PROFiBONE přináší inovativní 3D tištěné kostní implantáty, navržené dle potřeb pacientů a podporující hojení kostí.

Přelomový materiál vyvíjejí vědci z CEITEC VUT Brno, ve spolupráci s Lékařskou fakultou v Plzni Univerzity Karlovy a s islandskými partnery. Z něj tisknou implantáty, které mohou být vymodelované přesně na míru pacientovi a obohacené o další potřebné bioaktivní látky.

Skoro jako naše kosti

Na brněnském CEITECu vyvíjejí profesionální kostní implantát, který bude moci být ušit na míru pacientovi co do velikosti a tvaru kostního defektu, tak i biologicky. Implantáty se tisknou na 3D tiskárně. „Speciální kostní inkoust, který jsme v rámci projektu vyvinuli, se skládá z tekuté hydrogelové složky, která obsahuje speciální biodegradabilní polymer rozpuštěný ve vodě, a z práškové složky keramické, cementové,“ přibližuje vedoucí skupiny Pokročilé biomateriály na CEITEC VUT Brno Lucy Vojtová, která je zároveň vedoucí celého projektu PROFiBONE. Keramická složka je speciálním druhem kostního minerálu na bázi vápníku, který naše kosti běžně obsahují.
 

doc. Ing. Lucy VOJTOVÁ, Ph.D., vedoucí skupiny Pokročilé biomateriály, CEITEC VUT Brno, vedoucí projektu

„Nakonec tyto materiály obohacujeme o další látky, například prohojivé látky, antibakteriální proteiny nebo růstové faktory,“ doplňuje Klára Lysáková, která se v rámci svého doktorského studia zaměřuje na hydrogelové a cementové materiály pro cílenou regenerativní medicínu. Její úlohou je syntéza těchto složek a příprava pasty pro 3D tisk. Z té se pak při teplotě nepřesahující 37°C vytiskne implantát a v inkubátoru se po několika hodinách vytvrdí na pevnost kosti. Díky nízké teplotě zároveň zůstává bioaktivní, tedy neztrácí schopnost dále ovlivňovat živou tkáň.

Kostní implantáty tištěné na 3D tiskárně pomocí speciálního kostního inkoustu

Lešení pro buňky

Zásadním přínosem biodegradabilních implantátů do biomedicíny je to, že na rozdíl od dosud používaných například kovových materiálů umožňují prorůstání vlastních kostních buněk pacienta a přetvoří se tak do nové kostní tkáně. Jak říkají v plzeňském Biomedicínském centru, implantát je vlastně takovým lešením pro nové kostní buňky. Během procesu přetváření buněk si implantát stále udržuje své mechanické vlastnosti a pacientovi tak dodává dostatečnou oporu, aby měl plnohodnotnou náhradu kosti do doby, než si znovuvytvoří svoji vlastní kost. Materiál ale v těle nezůstává, umožní obnovu kostních buněk, kterými je posléze rozložen. Nevznikají při tom žádné toxické odpadní látky. Dobré odbouratelnosti pomáhá biodegradabilní polymer chitosan, který je součástí pasty pro tisk implantátu. Vyrábí a dodává ho jeden z islandských partnerů projektu. Zajímavé je, že je získáván z exoskeletonu krevet a zužitkovává se tak zároveň nepotřebná surovina z rybářského průmyslu. Do budoucna se však má přecházet na chitosan rostlinného původu, získávaný z hub.
 

Členové projektového týmu: Ing. Lucie Vištejnová, Ph.D. z Biomedicínského centra Lékařské fakulty v Plzni Univerzity Karlovy, materiálová chemička Ing. Klára Lysáková z CEITEC VUT Brno, Ing. Pavel Janál, projektový manažer z CEITEC VUT Brno a MUDr. Anna Malečková, Ph.D. z Ústavu histologie a embryologie Lékařské fakulty v Plzni Univerzity Karlovy

Přelomový materiál (nejen) pro neurochirurgy

Z implantátů by mohli v budoucnu těžit například pacienti po kraniektomii, to je zákrok, kdy pacientům musí být kvůli zvýšenému nitrolebečnímu tlaku dočasně odstraněna část lebeční kosti. Tu se sice po určité době lékaři snaží navracet zpět, ne vždy je to ale možné. U některých pacientů totiž dojde při návratu ke vstřebávání původní kosti. „Má-li pacient odstraněnou část lebky, je to poměrně rozsáhlý defekt a jakékoliv poranění by mohlo být fatální. Také kosmetický efekt je velmi negativní,“ vysvětluje přednosta Neurochirurgické kliniky Fakultní nemocnice v Plzni Vladimír Přibáň. Používají se proto náhrady – titanové kostní ploténky nebo polymerové implantáty. 
 

Kostní implantáty by nalezly uplatnění například při operacích, kdy musí být pacientovi odstraněna část lebky a nelze již navrátit zpět

Žádný z dosud používaných implantátů ale není zcela ideální a žádný také neumožňuje obnovu vlastních kostních buněk pacienta. Právě tento nedostatek je u implantátu vyvíjeného v projektu PROFiBONE odstraněn. „Do budoucna bychom tak mohli dělat 3D modely z tohoto materiálu. Náhrada by byla přesně ušita na míru pacienta, aby to přesně odpovídalo tvaru jeho lebky,“ věří v úspěšnou budoucnost materiálu pro profesionální kostní náhrady neurochirurg V. Přibáň.
Spolupráce na projektu s odborníky přímo z nemocnice je také velkým přínosem. Lékaři jsou z vidiny takovéhoto materiálu nadšeni a sami přicházejí s dalšími nápady, kde všude by se dal použít. Kromě neurochirurgie a ortopedie by mohl najít využití například v zubním lékařství. 

Projekt posouvá hranice 3D tisku 

Díky projektu vznikla v Brně nová laboratoř pokročilého 3D tisku. Pro speciální inkoust, který musí být tištěn při laboratorní teplotě, ale nebylo možné použít klasické 3D tiskárny. Na CEITECu tedy vyvinuli speciální tiskovou hlavu, která toto zvládá a zároveň je možné ji osadit na běžně rozšířené 3D tiskárny. „Je to vlastně velmi obdobná technologie 3D tisku jako ta klasická polymerní, jen s tím rozdílem, že se vytlačuje gelový nebo cementový materiál. Můžeme si to velmi zjednodušeně představit, že se zdobí dort a vytlačuje se poleva,“ popisuje Přemysl Menčík, který tuto tiskovou hlavu vyvinul. „Gelovo-cementový materiál má při tisku jisté specifikum, v jeho průběhu mění vlastnosti materiálu. Je tedy třeba pečlivé sledování a kontrola těchto vlastností během celého procesu tisku implantátu,“ dodává autor tiskové hlavy.
 

Pro tisk kostních implantátů musela být vyvinuta speciální tisková hlava pro 3D tiskárny. Její autor, čIen projektového týmu Ing. Přemysl Menčík, Ph.D. z CEITEC VUT Brno, při práci.
 

Slibné výsledky testů a histologický hardcore

Vytisknuté implantáty putují z Brna do Plzně. Po úspěšném testování „ve zkumavce“, kdy se na kostních buňkách prokázalo, že jsou materiály bezpečné, mohli vědci přejít na biologické testování na zvířecích modelech. „Jedná se o implantáty, které mají být následně používány v humánní medicíně, takže toto testování nemůžeme přeskočit. Je nedílnou součástí vývoje implantátů do lidského těla,“ vysvětluje Lucie Vištejnová z Biomedicínského centra Lékařské fakulty v Plzni Univerzity Karlovy. Při testování je implantát vkládán do stehenní nebo lebeční kosti potkana. Po přihojení implantátů se následně provádí analýza kostních vzorků s implantáty. „Naším úkolem je popsat, jak se kost hojí a jakým způsobem reaguje na přítomnost kostního implantátu. Hodnotíme také kvalitu nově vytvořené tkáně, přítomnost zánětů a interakci kostního implantátu s kostními trámci,“ vysvětluje histoložka Anna Malečková z plzeňské lékařské fakulty. A vše zatím vypadá nadějně.

MUDr. Vladimír Přibáň, Ph.D., přednosta Neurologické kliniky, Fakultní nemocnice Plzeň spolupracuje na testování implantátů. Testování implantátů na zvířecích modelech nelze u materiálů určených pro lidi vynechat.

 

Na plzeňské Lékařské fakultě díky projektu inovují v histologické laboratoři již zavedenou metodu zpracování kostních vzorků, tzv. kostní výbrusy. Ve zkoumaných vzorcích je totiž nutné zachovat vápník, a tak namísto klasického postupu, kdy se kost odvápní, a dá se v podstatě krájet jako jiné měkké tkáně, zalívají výzkumníci kost do metylmetakrylátu a speciálními bruskami a pilami ji pak řežou na tenké plátky, které lze analyzovat. „Je to takový histologický hardcore,“ říká pobaveně L. Vištejnová.

Odvápněný vzorek kosti se nakrájí na tzv. rotačním mikrotomu na 5 µm tenké plátky, uloží na histologické sklíčko a obarví. Následně je pomocí mikroskopu a vhodného softwaru hodnocena interakce implantátu s kostní tkání.

 

Cesta na operační sály je ještě dlouhá

„Když naše technologie předvedeme lékařům, jsou z toho většinou tak nadšení, že by je měli nejraději hned v rukách, na operačních sálech,“ směje se projektový manažer Pavel Janál. Ten je tím, kdo vědcům poskytuje administrativní a technickou podporu, aby se mohli naplno věnovat své práci. „Už to, že díky projektu spolu s kolegy s Islandu a z plzeňského biocentra nyní směřujeme k evropskému patentu na materiálové složení pasty pro tisk implantátu, je obrovským úspěchem,“ doplňuje a dodává, že všechny zapojené instituce by rády ve spolupráci pokračovaly tak, aby kostní implantáty mohly přejít do fáze klinického testování. Doufá také, že se v budoucnu podaří absolvovat zdlouhavý legislativní proces a výstupy projektu PROFiBONE se stanou běžnou součástí medicíny.
 

Tým projektu PROFiBONE na CEITEC VUT Brno pod vedením doc. Ing. Lucy Vojtové, Ph.D.

Díky projektu PROFiBONE byla navázána spolupráce vědců z Brna, Plzně a Islandu.

Informace o Programu Výzkum (známém též jako TAČR Kappa)

Informace o projektu PROFiBONE

Více o Fondech EHP a Norska

Webové stránky projektu PROFiBONE

Název projektu:	PROFiBONE
Realizátor projektu:	Vysoké učení technické v Brně (CEITEC - Středoevropský technologický institut VUT)
Partneři projektu:	Univerzita Karlova, Biomedicínské centrum, Lékařská fakulta v Plzni Genis hf. (Island) Tæknisetur ehf. | IceTec (IS)
Program:	Výzkum
Grant:	33 900 000 Kč
Cíl projektu:	Vývoj profesionálního kostního implantátu: nízkoteplotní 3D tisk biofunkcionalizovaných keramických kostních implantátů s nastavitelnými mechanickými vlastnostmi