Druk 3D kości: naukowcy z EPFL stworzyli samomineralizujący się biomateriał imitujący naturalną strukturę tkanki kostnej

Badacze z Federalnej Politechniki w Lozannie (EPFL) ogłosili przełom w dziedzinie medycyny regeneracyjnej, opracowując innowacyjny materiał kompozytowy, który można formować za pomocą drukarki 3D lub podawać w formie tuszu do iniekcji. Ten nowoczesny preparat ulega stopniowej mineralizacji w standardowych warunkach otoczenia, przekształcając się w twarde struktury przypominające naturalną kość. Odkrycie to, opublikowane w lutym 2026 roku, stanowi istotne odejście od tradycyjnych metod wymagających ekstremalnie wysokich temperatur, otwierając zupełnie nowe perspektywy dla inżynierii tkankowej.

Prace badawcze zostały przeprowadzone w Laboratorium Materiałów Miękkich (Soft Materials Laboratory, SMaL) na EPFL pod nadzorem profesor Esther Amstad. Placówka ta specjalizuje się w biomimetycznych podejściach do tworzenia mikrostrukturalnych materiałów polimerowych, które są wzmacniane poprzez proces kontrolowanej mineralizacji. Istota innowacji polega na opracowaniu tuszu do iniekcji opartego na hydroksyapatycie (HA) – głównym składniku mineralnym, z którego zbudowane są naturalne kości człowieka.

W składzie tuszu znajdują się mikrocząsteczki żelatyny z osadzonym w nich enzymem o nazwie fosfataza alkaliczna. Podczas inkubacji w roztworze zawierającym jony wapnia i fosforu, enzym ten inicjuje precyzyjnie kontrolowane powstawanie kryształów hydroksyapatytu, co prowadzi do stopniowego twardnienia wydrukowanego szkieletu. Profesor Amstad zaznacza, że głównym celem było stworzenie materiału zdolnego do formowania rusztowań o właściwościach mechanicznych porównywalnych z kością gąbczastą, która występuje w kręgach oraz na końcach kości długich, takich jak kość udowa.

Opracowana struktura kompozytowa wykazuje imponującą szybkość odzyskiwania wytrzymałości: już po kilku dniach procesu mineralizacji materiał zyskuje właściwości mechaniczne zbliżone do naturalnej kości gąbczastej, co umożliwia jego wczesne obciążanie. Rozwiązanie to pozwala pokonać ograniczenia tradycyjnych metod produkcji rusztowań z hydroksyapatytu, które wiążą się z ogromnym zużyciem energii i wykluczają zastosowanie komponentów aktywnych biologicznie, takich jak enzymy niezbędne do stymulacji wzrostu nowej tkanki.

Aby zapewnić odpowiednią porowatość i umożliwić infiltrację komórek, zespół ekspertów z EPFL dodał do składu tuszu mikrofragmenty żelatyny pozbawione enzymu. W trakcie inkubacji fragmenty te ulegają rozpuszczeniu, pozostawiając po sobie puste przestrzenie, przez które mogą w przyszłości migrować komórki. Badaczom udało się precyzyjnie dostroić strukturę materiału, osiągając porowatość na poziomie około 50% objętości – jest to wskaźnik uznawany za optymalny dla zasiedlania przez komórki i formowania nowej tkanki kostnej.

W trakcie przeprowadzonych eksperymentów komórkowych, zaledwie 14 dni po zasiedleniu rusztowań ludzkimi komórkami macierzystymi, w próbkach wykryto obecność kolagenu oraz osteokalcyny. Świadczy to o skutecznym uruchomieniu naturalnego procesu kościotworzenia wewnątrz materiału. Osiągnięcie to ma fundamentalne znaczenie dla medycyny regeneracyjnej, ponieważ łączy w sobie efektywność energetyczną, wysoką biozgodność oraz możliwość produkcji na szeroką skalę.

Proces mineralizacji przebiegający w temperaturze pokojowej znacząco redukuje ślad węglowy oraz koszty produkcyjne, a zachowanie aktywności enzymatycznej wewnątrz szkieletu pozwala materiałowi na dalsze „dojrzewanie” już po wydruku, co ułatwia adaptację do indywidualnych warunków biologicznych pacjenta. Testy porównawcze dowodzą, że aktywowane enzymatycznie rusztowania z hydroksyapatytu posiadają wytrzymałość na ściskanie dorównującą ludzkiej kości gąbczastej, przewyższając pod tym względem materiały uzyskiwane tradycyjnymi metodami wysokotemperaturowymi.

Kość gąbczasta, w odróżnieniu od gęstej kości zbitej, charakteryzuje się wysoką porowatością i mniejszą sztywnością, jednak odgrywa kluczową rolę w amortyzacji i rozkładzie obciążeń w kręgosłupie oraz stawach. Możliwość stworzenia materiału, który precyzyjnie imituje jej właściwości, ma decydujące znaczenie dla przyspieszenia regeneracji złamań oraz skutecznej rekonstrukcji ubytków kostnych. To zaawansowane rozwiązanie technologiczne, łączące inżynierię materiałową z katalizą enzymatyczną, może w przyszłości zrewolucjonizować podejście do leczenia urazów i schorzeń układu kostnego.