Szkło nie kojarzy się z trwałością charakterystyczną dla kości, jednak naukowcy z Chin postanowili to zmienić. Zespół badaczy pod kierownictwem Jianru Xiao, Tao Chena i Huanana Wanga opracował bioaktywne szkło, które można drukować w technologii 3D. Co więcej – w testach in vivo wykazało ono zdolność do wspierania wzrostu komórek kostnych i wytrzymałość porównywalną z naturalną kością. To innowacyjne podejście może zrewolucjonizować medycynę regeneracyjną – zwłaszcza implantologię, ortopedię i chirurgię rekonstrukcyjną.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jakie właściwości ma szkło drukowane w 3D jako substytut kości
- Jak przebiegała regeneracja kości u królików z użyciem bioszkła
- Dlaczego metoda niskotemperaturowa jest przełomowa dla medycyny
- Jakie inne zastosowania może mieć ta technologia poza implantologią
Co łączy szkło i kość?
Zarówno szkło, jak i kość mają strukturę molekularną, która lepiej znosi ściskanie niż rozciąganie. Ta właściwość sprawia, że szkło – mimo swojej pozornej kruchości – może być wykorzystane jako rusztowanie dla nowej tkanki kostnej.
Główne składniki nowego materiału to krzemionka, wapń i fosforany – pierwiastki naturalnie obecne w układzie kostnym człowieka. Ich połączenie pozwoliło stworzyć bioaktywny żel szklany, który nie tylko nadaje się do druku 3D, ale również nie wymaga toksycznych plastyfikatorów ani ekstremalnych temperatur typowych dla konwencjonalnego druku ceramiki.
Zielona alternatywa: druk 3D bez toksyn
Tradycyjny druk 3D szkła wymaga temperatur przekraczających 2000°F (około 1100°C) oraz zastosowania plastyfikatorów, co czyni go kosztownym i niebezpiecznym dla zastosowań medycznych.
W opisywanym badaniu naukowcy zastosowali samoregenerujące się żele koloidalne z nanosferami krzemionkowymi, które przyciągają się elektrostatycznie. Ten „zielony” żel pozwolił na niskotemperaturowe spiekanie – tylko 700°C – bez pogorszenia właściwości mechanicznych czy bioaktywności materiału.
Testy na zwierzętach: bioszkło wspiera wzrost kości
- Aby potwierdzić skuteczność materiału, zespół przeprowadził badania na królikach. Naprawiano u nich ubytki w czaszce za pomocą trzech różnych materiałów:
komercyjnego substytutu kości dentystycznej, - tradycyjnego szkła krzemionkowego,
- nowego bioszkła.
Wyniki po 8 tygodniach okazały się jednoznaczne:
Większość obecnych komórek kostnych urosła na rusztowaniu z bioszkła. Na zwykłym szkle wzrost komórek kostnych był praktycznie niezauważalny.
Choć komercyjny materiał stymulował szybszy wzrost w początkowej fazie, bioszkło okazało się trwalsze i lepiej integrowało się z tkanką.
Kluczowe właściwości bioszkła
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie ACS Nano podano, że moduł sprężystości przy ściskaniu wynosił około 2,3 MPa, co czyni materiał wystarczająco mocnym do pełnienia roli rusztowania kostnego. Co więcej, bioszkło:
- zachowuje kształt po utwardzeniu,
- pozostaje bioaktywne,
- wspiera osteogenezę,
- może być personalizowane pod pacjenta dzięki drukowi 3D.
Zastosowania poza medycyną
Choć głównym celem badania była odbudowa kości, autorzy podkreślają, że technologia może mieć szersze zastosowanie:
Metodę tę można zastosować w różnych gałęziach przemysłu, od maszynowego po energetyczny.
Zaletą nowej technologii jest jej modularność, niski koszt produkcji, brak potrzeby toksycznych dodatków oraz kompatybilność z procesami cyfrowymi.
Przełom w rekonstrukcji kości?
Nowy materiał, będący owocem zaawansowanej inżynierii materiałowej i medycyny, może w przyszłości stać się tańszą, bezpieczniejszą i bardziej dostępną alternatywą dla klasycznych implantów. Druk 3D daje możliwość idealnego dopasowania do ubytku, a „zielona” metoda druku znacznie zwiększa bezpieczeństwo i biozgodność produktu.
👉 Wyniki oraz opis badań znajdziesz pod TYM LINKIEM
Główne wnioski
- Bioaktywne szkło 3D wspiera długotrwały wzrost komórek kostnych i może zastąpić komercyjne implanty w medycynie.
- Materiał nie wymaga toksycznych dodatków ani ekstremalnych temperatur – zastosowano spiekanie w 700°C.
- W testach na królikach bioszkło wykazało lepszą integrację z tkanką kostną niż standardowe szkło czy produkty dentystyczne.
- Technologia może znaleźć zastosowanie nie tylko w medycynie, ale także w przemyśle maszynowym i energetycznym.
Źródło:
- Interesting Engineering
- Technology Networks
- ACS Nano
