뼈의 재성장을 지탱할 수 있는 비계 모양의 금속 임플란트를 상상해 보자. 필요한 것은 초기 CT 스캔, 임플란트의 가상 구성 및 최종 제품을 생산하기 위한 금속 프린터뿐이었다. 절단이나 보행 능력 상실과 같은 치명적인 결과를 예방할 수 있다. 

이러한 유형의 혁신은 현대 기술의 영역을 벗어나는 것처럼 보일 수 있지만 기계공학 및 재료과학부의 Ken Gall 교수를 포함하여 몇몇 Duke 교수는 그러한 미래형 생체재료 임플란트를 현실로 만들었다. Shyni Varghese, 정형외과 교수와 Matthew Becker, Hugo L. Blomquist 저명한 화학교수가 해냈다.

Gall의 연구는 연골 교체 및 기타 관련 탐사를 위해 합성 하이드로겔을 사용하여 앞서 언급한 금속 지지체를 포함하여 3D 인쇄된 금속 및 중합체의 사용에 중점을 둡니다. 그는 또한 인쇄할 수 있는 구조 유형을 조사하는 새로운 프로젝트를 시작했으며 이러한 구조가 어떻게 작동할지 예측하기 위해 기계 학습 또는 기타 알고리즘을 활용하는 방법을 찾고 있습니다.

Gall의 연구는 광범위한 생체 재료에 걸쳐 있지만 이러한 임플란트 사이의 공통된 연결고리는 일부 구조적 기능을 수행하는 능력이라고 그는 말했다. 

Gall은 "우리는 이러한 물질을 신체와 통합하여 생존할 수 있도록 하는 방법을 알아 내려고 노력하고 있다. 우리의 접근 방식은 항상 당신이 시작한 것보다 실제로 더 나은 것을 넣는 것이었다."

Varghese의 연구는 뼈 형성을 촉진하고 뼈 변성을 예방하기 위한 생체분자 아데노신의 활용에 보다 구체적으로 초점을 맞추고 있다. 그녀는 골절 치유를 촉진하기 위해 아데노신을 활용할 수 있는 3개의 임플란트를 개발했으며, 그 중 첫 번째는 체내에 이미 존재하는 나노몰량의 아데노신을 활용한다. 

정상적인 아데노신 수치는 일반적으로 치유를 촉진하기에는 너무 낮지만 손상 중에 스트레스를 받는 세포는 더 많은 분자를 분비한다. 따라서 Varghese는 세포 스트레스 동안 방출된 아데노신을 격리하고 치유를 촉진하기 위해 더 오랜 시간 동안 체내에 머무를 수 있는 생체 재료 임플란트를 제안했다.

질병의 경우 아데노신 수치가 감소한다. Varghese는 환자의 생체 분자 수준이 충분하지 않은 문제를 해결하기 위해 신체에 추가로 아데노신을 전달하는 임플란트를 만들었다. 

아데노신 외에 Varghese의 연구실은 관절 부상과 잠재적으로 안구 건조에 대한 자가 수리 윤활제를 조사해 왔다. 그녀는 또한 골다공증으로 인한 뼈 손실을 치료하기 위해 경구 투여할 수 있는 나노운반체 약물임플란트를 연구하고 있다. 

Becker의 연구는 "신소재, 기본 빌딩 블록을 가능성의 영역으로 가져오는 것"을 목표로 한다고 그는 말했다. 그는 이러한 새로운 생체 ​​재료를 사용하여 다양한 의료분야에서 충족되지 않은 의학적 요구와 물질적 문제를 충족하기를 희망한다. 

Becker가 개발한 임플란트 중 하나는 진통제가 함유된 아미노산 기반 폴리에스테르 요소로 만든 분해성 고분자 필름으로 구성되어 있다. 필름은 복강경 수술이나 제왕절개 후 이식할 수 있으며 4~5일 동안 국소적으로 통증을 조절할 수 있다. 이는 수술 후 환자에게 오피오이드 진통제가 더 이상 필요하지 않다는 것을 의미한다. 

“이 작업을 마치기 전에 ... 제 연구실에서 개발된 폴리머 중 하나가 실제로 환자에게 전달되기를 바란다. 그리고 우리가 가까워지고 있는 것 같다.”라고 Becker가 말했다.

실험실에서 Becker가 가장 좋아하는 기억 중 하나는 즉석 폭발 장치나 총상으로 부상을 입은 군인을 위한 분해성 플라스틱 폴리머를 개발하기 위해 국방부와 협력한 것이다. 폴리머는 부상 중 손실된 뼈의 2~3인치를 채우고 사지를 구조하여 절단의 필요성을 피할 수 있다. Becker의 연구실은 양 모델에서 폴리머의 효능을 테스트했다. 수술 후 4시간 후 양은 일어서고 걸을 수 있었다.

Becker는 "아마도 그것이 효과가 있을지 알 수 없었기 때문에 가장 기억에 남는 '와우' 순간이었을 것이다."라고 말했다.

Varghese가 연구실에서 가장 좋아했던 기억은 대학원생 중 한 명과 함께 소프트 로봇을 연구하던 일이었다. Varghese는 대학원생에게 실험실에서 자가 치유 젤을 사용하여 부드러운 로봇을 생산할 수 있는지 알아보도록 요청했고, 몇 달 후 학생은 Varghese의 비전을 현실로 만들 수 있었다. 

Varghese는 "학생들에게 막연하고 상상적이며 꿈꾸는 아이디어를 제공한 다음 그들과 함께 작업하고 그런 것들을 알아내는 것은 항상 재미있었다."라고 말했다. 

Gall이 그의 작업에서 가장 좋아하는 부분은 그의 연구실에서 발견된 생체 재료가 결국 사람에게 이식되는 것을 지켜보는 것이다. 

“우리가 이것을 보여주는 첫 번째 논문을 출판했다고 말할 수 있다는 것은 흥분되는 일이다. 그런 다음 신체에 이것을 가진 최초의 환자들에게 우리가 그 일이 일어나도록 도왔다.”라고 Gall이 말했다. DukeChronicle.com을 통해