3D-друк кісток: науковці EPFL розробили біоматеріал, що імітує структуру натуральної кістки

Дослідники з Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) оголосили про значний прорив у сфері регенеративної медицини. Вони розробили інноваційний композитний матеріал, який можна використовувати для 3D-друку або вводити у формі ін'єкційних чорнил. Ця речовина здатна поступово мінералізуватися за звичайних умов навколишнього середовища, перетворюючись на міцні структури, що імітують натуральну кістку. Дана розробка, представлена у лютому 2026 року, пропонує альтернативу традиційним методам, які потребують екстремально високих температур, і відкриває нові горизонти для інженерії кісткової тканини.

Проєкт реалізували фахівці Лабораторії м'яких матеріалів (Soft Materials Laboratory, SMaL) під керівництвом професорки Естер Амстад. Команда SMaL спеціалізується на біоміметичних підходах, створюючи мікроструктуровані полімерні матеріали, які зміцнюються завдяки керованій мінералізації. Ключовою інновацією стало створення чорнил на основі гідроксіапатиту (ГА) — головного мінерального компонента, що входить до складу природної людської кістки.

Склад цих чорнил включає мікрочастинки желатину, в які вбудовано фермент лужну фосфатазу. Під час інкубації в спеціальному розчині, що містить іони кальцію та фосфату, цей фермент запускає процес формування кристалів гідроксіапатиту. Це призводить до поступового затвердіння надрукованого каркаса. Професорка Амстад підкреслює, що головною метою було створення матеріалу, здатного формувати структури з механічними властивостями, ідентичними губчастій кістці, яка зустрічається у хребцях та на кінцях довгих кісток.

Новий композит демонструє надзвичайну швидкість відновлення міцності: вже за кілька днів після початку мінералізації матеріал набуває характеристик, що дозволяють витримувати ранні фізичні навантаження. Це вирішує проблему традиційних методів виробництва каркасів з гідроксіапатиту, які вимагають великих енерговитрат і не дозволяють використовувати біологічно активні компоненти, такі як ферменти, необхідні для стимуляції росту кісткової тканини.

Для забезпечення необхідної пористості та можливості проникнення клітин всередину структури, команда EPFL додала до складу чорнил фрагменти желатину без ферменту. Під час інкубації ці мікрофрагменти розчиняються, залишаючи після себе пори, через які згодом можуть мігрувати клітини організму. Дослідникам вдалося точно налаштувати структуру матеріалу, досягнувши показника пористості близько 50% від загального обсягу, що вважається оптимальним для заселення клітинами та формування нової тканини.

Експерименти з людськими стовбуровими клітинами підтвердили ефективність розробки. Вже через 14 днів після заселення каркасів у зразках було виявлено колаген та остеокальцин. Наявність цих білків свідчить про запуск природного процесу кісткоутворення. Таке досягнення має фундаментальне значення для сучасної медицини, оскільки поєднує в собі енергоефективність, високу біосумісність та потенціал для масштабного виробництва медичних імплантатів.

Процес мінералізації при кімнатній температурі суттєво знижує вуглецевий слід та загальні виробничі витрати. Збереження ферментативної активності всередині каркаса дозволяє матеріалу продовжувати процес «дозрівання» навіть після завершення друку, адаптуючись до специфічних умов організму пацієнта. Порівняльні випробування довели, що такі каркаси мають міцність на стиск, цілком порівнянну з показниками людської губчастої кістки, перевершуючи матеріали, отримані високотемпературними способами.

На відміну від щільної кортикальної кістки, губчаста тканина характеризується високою пористістю, що відіграє критичну роль у розподілі навантаження в суглобах та хребті. Створення матеріалу, що точно відтворює ці властивості, є вирішальним для прискореної реабілітації після переломів та реконструкції кісток. Це технологічне рішення, яке об'єднує матеріалознавство та ферментативний каталіз, здатне докорінно змінити підходи до лікування складних травм та захворювань опорно-рухового апарату.