Τα δείγματα εμφάνισαν χαμηλή τοξικότητα, βιοαποδομησιμότητα και ενδείξεις ότι είναι αξιόπιστα για την ανάπτυξη των οστών. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Biomedical Materials. Για να επουλωθούν τα σοβαρά κατάγματα, τοποθετούνται εμφυτεύματα που διευκολύνουν την αναγέννηση των ιστών στη θέση του οστού που λείπει. Στην ουσία, χρησιμεύουν ως μήτρα στην οποία σχηματίζεται σταδιακά νέο οστό. Ιδανικά, τα εμφυτεύματα θα πρέπει να έχουν διαλυθεί μέχρι να ολοκληρωθεί η δουλειά τους. Η νέα μελέτη περιγράφει λεπτομερώς τις δοκιμές ενός κράματος σιδήρου-πυριτίου για την κατασκευή τέτοιων εμφυτευμάτων.
Για να λειτουργήσουν σωστά, τα υλικά για εμφυτεύματα θα πρέπει να πληρούν ορισμένα κριτήρια. Πρέπει να είναι στιβαρά, όπως τα οστά, και πορώδη—έτσι ώστε να παρέχουν χώρο για την ανάπτυξη των ιστών. Πρέπει επίσης να είναι βιοσυμβατά και βιοαποδομήσιμα. Δηλαδή, το εμφύτευμα θα πρέπει να γίνεται αποδεκτό από τον οργανισμό και να αποσυντίθεται φυσικά με την πάροδο του χρόνου, αλλά όχι πολύ γρήγορα, ώστε το οστό να έχει αρκετό χρόνο προκειμένου να αναπτυχθεί. Επίσης, η αποδόμηση του υλικού δεν πρέπει να παράγει τοξικές ενώσεις. “Χρησιμοποιούνται συχνά κράματα σιδήρου, επειδή αυτό το μέταλλο είναι φιλικό προς το σώμα και διασπάται με τον σωστό σχεδόν ρυθμό, αλλά είναι επίσης πολύ μαλακό εάν χρησιμοποιείται χωρίς πρόσθετα. Η ομάδα μας είχε εμπειρία με κράματα σιδήρου και πυριτίου στο παρελθόν , και σκεφτήκαμε ότι πρέπει να τα δοκιμάσουμε σε αυτό το πλαίσιο, επειδή το πυρίτιο είναι επίσης γνωστό ότι είναι εξαιρετικά βιοσυμβατό, μη τοξικό, απορροφάται και εκκρίνεται εύκολα», δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Junior Research Scientist Julia Bondareva από το Skoltech.
“Χρησιμοποιήσαμε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για να παράγουμε δείγματα πορώδους σιδήρου-σιλικόνης από σκόνη. Τα δείγματα είχαν αυθαίρετο σχεδιασμό κατάλληλο για τις προβλεπόμενες δοκιμές των μηχανικών και βιολογικών ιδιοτήτων τους. Σκοπεύουμε να παράγουμε εμφυτεύματα ανατομικού σχήματος για δοκιμές σε ζώα”, εξήγησε ο Stanislav Evlashin, κύριος ερευνητής. Η ομάδα ερεύνησε τις μηχανικές ιδιότητες του κράματος για να καθορίσει πόσο καλά τα εμφυτεύματα θα άντεχαν τη συμπίεση και την επέκταση, σε σύγκριση με τον καθαρό σίδηρο και τα άλλα κράματα του μετάλλου που χρησιμοποιούνται ήδη για το σκοπό αυτό. Τα δείγματα πυριτίου-σιδηρού αποδείχθηκαν ανώτερα από εκείνα που κατασκευάζονται από καθαρό σίδηρο και τα άλλα κράματά του. «Δείξαμε επίσης ότι τα εμφυτεύματα θα αποσυντεθούν όπως αναμενόταν με την πάροδο του χρόνου», πρόσθεσε η Bondareva. «Χαρτογραφήσαμε επίσης τη στοιχειακή σύνθεση των δειγμάτων», σημείωσε ο Evlashin. “Η σκόνη που χρησιμοποιούμε για την εκτύπωση περιέχει σίδηρο και πυρίτιο σε μια ορισμένη αναλογία, και υπάρχει πάντα κάποια οξείδωση όταν εκτυπώνουμε σε υψηλή θερμοκρασία με λέιζερ. Έτσι, προκειμένου να βεβαιωθούμε ότι οι μηχανικές ιδιότητες είναι λίγο πολύ οι ίδιες σε οποιαδήποτε σημείο στο δείγμα, έπρεπε να επιβεβαιώσουμε ότι η αναλογία μεταξύ των δύο συστατικών στοιχείων -και του οξυγόνου επίσης- ήταν σωστή και ομοιόμορφα κατανεμημένη σε όλο το δείγμα.”
Μετά τη σύνθεση του υλικού και τις μηχανικές δοκιμές στο Skoltech, τα δείγματα έφτασαν στο Πανεπιστήμιο Sechenov, όπου πραγματοποιήθηκαν περαιτέρω δοκιμές με ζωντανά κύτταρα σε φυσιολογικό διάλυμα. Η μικροσκοπία έδειξε ότι περίπου το 70% των κυττάρων παρέμειναν ζωντανά, υποδηλώνοντας χαμηλή τοξικότητα λόγω του σχηματισμού υδροξειδίου και χλωρίου σιδήρου κατά την αποικοδόμηση του δείγματος. Είναι σημαντικό ότι παρατηρήθηκε εναπόθεση φωσφορικού ασβεστίου στα δείγματα—δηλαδή, ο οστικός ιστός άρχισε να σχηματίζεται στο «εμφύτευμα».