3D-печать костей: учёные EPFL создали самоминерализующийся биоматериал, имитирующий структуру натуральной кости

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) сообщили о прорыве в области регенеративной медицины: создан новый композитный материал, который можно напечатать на 3D-принтере или ввести в виде инъекционных чернил. Он постепенно минерализуется при нормальных условиях окружающей среды, превращаясь в твердые костеподобные структуры. Эта разработка, опубликованная в феврале 2026 года, знаменует отход от традиционных методов, требующих высоких температур, и открывает новые возможности для инженерии костной ткани.

Работа проводилась в Лаборатории мягких материалов (Soft Materials Laboratory, SMaL) EPFL под руководством профессора Эстер Амстад. Лаборатория специализируется на биомиметических подходах к созданию микроструктурированных полимерных материалов, укрепляемых с помощью контролируемой минерализации. Суть инновации заключается в создании инъекционных чернил на основе гидроксиапатита (ГА) — основного минерального компонента натуральной кости.

В состав чернил входят микрочастицы желатина с внедрённым ферментом щелочной фосфатазой. При инкубации в растворе, содержащем ионы кальция и фосфата, фермент запускает контролируемое образование кристаллов ГА, что приводит к постепенному затвердеванию напечатанного каркаса. Профессор Амстад отмечает, что цель заключалась в создании 3D-печатаемых и инъекционных чернил, способных формировать каркасы с механическими свойствами, сопоставимыми с губчатой костью, встречающейся в позвонках и на концах длинных костей, таких как бедренная.

Композитная структура демонстрирует впечатляющую скорость восстановления прочности: уже через несколько дней минерализации материал приобретает механические свойства, близкие к губчатой кости, обеспечивая возможность ранней нагрузки. Это превосходит ограничения традиционных методов производства ГА-каркасов, которые требуют значительных энергозатрат и исключают использование биологически активных компонентов, таких как ферменты, необходимые для стимуляции роста кости.

Для обеспечения пористости и возможности клеточной инфильтрации команда EPFL добавила в состав чернил микрофрагменты желатина без фермента. Во время инкубации эти фрагменты растворяются, оставляя за собой поры, через которые впоследствии могут мигрировать клетки. Исследователям удалось точно настроить структуру материала, достигнув пористости примерно 50% по объему — оптимального показателя для заселения клеток и образования новой костной ткани.

В ходе клеточных экспериментов уже через 14 дней после заселения каркасов человеческими стволовыми клетками в образцах были обнаружены коллаген и остеокальцин, что свидетельствует о запуске естественного процесса костеобразования. Это достижение имеет фундаментальное значение для регенеративной медицины, поскольку сочетает энергоэффективность, биосовместимость и возможность масштабируемого производства.

Процесс минерализации при комнатной температуре значительно снижает углеродный след и производственные затраты, а сохранение ферментативной активности в каркасе позволяет материалу продолжать «созревать» после печати, адаптируясь к индивидуальным условиям пациента. Сравнительные испытания показывают, что ферментативно активированные ГА-каркасы обладают прочностью на сжатие, сопоставимой с человеческой губчатой костью, превосходя материалы, полученные традиционными высокотемпературными способами.

Губчатая кость, в отличие от плотной кортикальной, характеризуется высокой пористостью и меньшей жесткостью, но играет ключевую роль в распределении нагрузки в позвонках и суставах. Возможность создания материала, точно имитирующего её свойства, имеет решающее значение для ускоренного восстановления переломов и костной реконструкции. Это технологическое решение, объединяющее достижения материаловедения и ферментативного катализa, может значительно изменить подход к лечению травм и заболеваниям костей.