Едва ли някой би си представил, че стъклото може да замести костта. Изследователи в Китай обаче са разработили 3D печатаемо биоактивно стъкло, което се доближава до еластичността на костта.
При тестове върху животни то поддържа растежа на костните клетки по-дълго от обикновеното стъкло и почти се равнява на водещ материал за зъбни импланти.
Стъклото и костта споделят една ключова характеристика благодарение на молекулярната си структура. Те устояват по-добре на натиск, отколкото на разтягане. Силицият е основната съставка на стъклото, което може да съществува в течна форма и да се оформя свободно.
Това качество отваря вратата за създаването на импланти, които могат да бъдат изработени така, че да пасват перфектно на увредените части на костите. Въпреки че стъклото има потенциал, усъвършенстването на процеса на печат се оказва трудно.
Конвенционалният 3D печат на стъкло изисква токсични пластификатори и екстремна топлина над 2000 градуса по Фаренхайт, което ограничава използването му в медицината, където безопасността и цената са съществени фактори.
Тестване на новото биостъкло
Екипът сравнява новото си биостъкло, обикновено силициево стъкло и търговски зъбен костен заместител при възстановяването на черепа на заек.
Докато търговският продукт стимулираше по-бърз ранен растеж, биостъклото се оказа по-издръжливо. След осем седмици повечето костни клетки са били прикрепени към биостъкления скелет, а обикновеното стъкло показва малък или никакъв растеж.
Изследователите вече са докладвали, че техният материал поддържа растежа на костите по-дълго от съществуващите варианти. Те описват работата си като крачка напред в областта на достъпните и персонализирани костни заместители с приложения, които далеч надхвърлят стоматологията.
„Зелена” стратегия за печат
Освен медицинските резултати, екипът подчертава техническия пробив, който стои зад подхода им. Те обясняват, че обикновено 3D печата на керамика или стъкло зависи от органични пластификатори и синтероване при висока температура.
Тези стъпки увеличават разходите и времето, намаляват биоактивността и дори могат да имат токсични ефекти.
Техният метод заобикаля тези проблеми, като използва неорганични самовъзстановяващи се колоидни гелове, произведени от наносфери на базата на силициев диоксид, които се привличат електростатично.
Това им позволява да отпечатат на 3D принтер здрави стъклени структури без добавки и да ги довършат при относително ниска температура чрез процес, известен като нискотемпературно синтероване.
Получените гелове показват модул на сгъстяване от около 2,3 MPa, което е достатъчно силно за използване като костни заместители.
Те също така запазват способността си за самовъзстановяване, което дава на материала по-добра печатаемост и контрол на формата. След синтероване при 1300 градуса Фаренхайт, отпечатаните структури запазват формата си, остават биоактивни и подкрепят растежа на нова кост в тестовете.
Изследователите виждат голям потенциал
„Тази „екологична“ стратегия за неорганично 3D печатане позволи икономично и запазващо биоактивността производство на костни заместители на базата на биостъкло, което доведе до подобрена остеогенеза и остеоинтегритет in vivo“, пишат те.
Те добавят, че методът може да се разшири и в други индустрии, от машиностроенето до енергетиката.
Изследването е публикувано в списанието ACS Nano.
Източник: InterestingEngineering
