Một loại thủy tinh sinh học có thể in 3D có thể được sử dụng để sửa chữa tổn thương xương và giúp chúng phát triển trở lại, theo một nghiên cứu cho thấy.
Thủy tinh sinh học mới được phát triển - được tạo ra bằng các phương pháp "xanh" và "tiết kiệm chi phí" - được phát hiện là một vật liệu thay thế xương hiệu quả trên thỏ, theo nghiên cứu được đánh giá đồng nghiệp được tiến hành tại Trung Quốc.
Các phát hiện cho thấy nó duy trì sự phát triển tế bào xương tốt hơn so với thủy tinh thông thường và một chất thay thế xương đã có sẵn trên thương mại và được sử dụng rộng rãi được làm từ ghép xương động vật.
Các cấy ghép xương trong lịch sử được làm từ kim loại và xương hiến tặng. Nghiên cứu này bổ sung vào nghiên cứu ngày càng tăng về lợi ích của vật liệu in 3D.
"Nhiều ca phẫu thuật chỉnh hình yêu cầu ghép xương tùy chỉnh, chẳng hạn như xương mặt và đầu của chúng ta," tác giả nghiên cứu, giáo sư Huanan Wang của Đại học Công nghệ Đại Liên nói với Newsweek, giải thích về việc thủy tinh sinh học có thể được sử dụng để làm gì.
Thành phần chính được tìm thấy trong thủy tinh - silica, có nguồn gốc từ cát - có nghĩa là nó có thể tồn tại ở dạng lỏng và được in 3D thành nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm cấu trúc chính xác của một phần xương bị thiếu.
Tuy nhiên, các tác giả nghiên cứu đã viết trong bài báo: "In 3D gốm sứ hoặc thủy tinh thường yêu cầu chất dẻo hóa hữu cơ hy sinh và nung ở nhiệt độ cao, điều này tốn thời gian và chi phí, có khả năng độc tế bào [gây hại cho tế bào sống] và có thể làm tổn hại đến hoạt tính sinh học và chức năng của các thành phần vô cơ [gốm sứ/thủy tinh]."
Với điều này trong tâm trí, các nhà nghiên cứu đã bắt tay vào chống lại nhu cầu về hóa chất độc hại hoặc thủy tinh được nấu chảy ở nhiệt độ (thường) cao hơn 1.093 độ C.
Để làm điều này, họ kết hợp các hạt silica tích điện trái dấu và các ion canxi và phosphate để tạo thành một gel thủy tinh sinh học có thể in được.
Sau khi được định hình bằng máy in 3D, thủy tinh được làm cứng thành hình dạng cuối cùng trong lò nung ở nhiệt độ "tương đối mát" 704 độ C - và tất cả thông qua một quy trình không có chất phụ gia.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thủy tinh sinh học mới so với gel thủy tinh silica thông thường in 3D và một chất thay thế xương nha khoa có sẵn bằng cách sửa chữa tổn thương sọ trên thỏ sống.
Những hiểu biết thu được từ phân tích đa quy mô về các đặc điểm cấu trúc và cơ học cho phép họ phát triển "gel keo mạnh mẽ mà không làm tổn hại đến khả năng tự phục hồi."
Gel keo là vật liệu mềm thường được tìm thấy trong mỹ phẩm và vật liệu xây dựng.
"Chúng tôi tiếp tục chứng minh khả năng in tuyệt vời, độ trung thực hình dạng và khả năng tái chế của các gel vô cơ," các tác giả bổ sung.
Mặc dù sản phẩm thương mại hiện có được phát hiện là phát triển xương nhanh hơn, thủy tinh sinh học duy trì sự phát triển lâu hơn, theo nhóm nghiên cứu.
Sau tám tuần, hầu hết các tế bào xương hiện có đã phát triển trên cấu trúc thủy tinh sinh học. Tuy nhiên, thủy tinh thông thường hầu như không có sự phát triển tế bao xương nào.
"Chiến lược in 3D vô cơ 'xanh' này cho phép chế tạo tiết kiệm chi phí và bảo tồn hoạt tính sinh học các chất thay thế xương dựa trên thủy tinh sinh học, dẫn đến cải thiện quá trình tạo xương trong cơ thể sống và tính toàn vẹn xương [cấy ghép được hợp nhất với xương]," các tác giả viết.
Họ nói rằng công việc này cung cấp một con đường để chế tạo tùy chỉnh các cấu trúc 3D vô cơ chức năng được sử dụng trong các ngành y sinh, máy móc, năng lượng và hóa chất.
"Cần có nhiều nỗ lực hơn tiếp theo để tiến hành thử nghiệm thêm nhằm làm cho kỹ thuật chế tạo của chúng tôi mạnh mẽ hơn và hiệu quả hơn. Sau đó, chúng tôi cần thử nghiệm chất thay thế xương thủy tinh sinh học in của chúng tôi cho các thử nghiệm sửa chữa xương động vật lớn hơn trước khi ứng dụng thêm trong cơ thể con người," Wang nói.
"Thủy tinh sinh học đã được sử dụng trong phòng khám để thay thế xương, nhưng thủy tinh sinh học in 3D vẫn chưa đạt đến thử nghiệm lâm sàng. Nhưng nghiên cứu của chúng tôi ở đây đã cho thấy những kết quả đáng chú ý khi sử dụng chiến lược in 3D xanh này và chúng tôi tin rằng kỹ thuật này có tương lai rất triển vọng để chuyển đổi thêm vào phòng khám."
