Nano-botmateriaal vertoont een hoge elasticiteit en sterkte om chirurgie en genezing te versnellen

Een onderzoeksteam van de afdeling Orthopedie en Traumatologie van de LKS Faculteit Geneeskunde van de Universiteit van Hong Kong (HKUMed) heeft met succes een nieuw elastisch calciumfosfaatmateriaal ontwikkeld dat de structuur van menselijk bot nabootst.

Het materiaal, nagesynchroniseerd “nano beencement,” biedt een veelbelovend alternatief voor traditionele bottransplantaten bij orthopedische operaties, die doorgaans afhankelijk zijn van het verzamelen van weefsel van de patiënt of een donor. Onderzoek en experimentele resultaten tonen aan dat dit innovatieve botmateriaal robuuste mechanische ondersteuning biedt en de genezing versnelt bij gevallen van botdefecten.

Het team is van plan deze technologie toe te passen om grote segmentale botdefecten te repareren, waardoor het herstel van de patiënt mogelijk wordt versneld en optimale resultaten worden bereikt. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.

Huidige uitdagingen bij chirurgie van grote segmentale botdefecten

Professor Kelvin Yeung Wai-kwok, Ng Chun-man hoogleraar orthopedische bio-engineering, afdeling Orthopedie en Traumatologie, School of Clinical Medicine, HKUMed, en projectleider van het onderzoek, zei dat voor de behandeling van grote segmentale botdefecten doorgaans bottransplantatie nodig is, waarbij vaak autotransplantaten (van het eigen bot van de patiënt) of allografts (gedoneerd bot) betrokken zijn, die schaars zijn en aanzienlijke gevolgen hebben. risico’s. Autotransplantaten kunnen leiden tot complicaties en instorting op de donorplaats, terwijl allotransplantaten het risico met zich meebrengen van infectie en afstoting van het immuunsysteem.

Traditionele calciumfosfaatbotmaterialen worden gevormd door poeders die calcium en fosfor bevatten te mengen met een vloeibare oplossing, wat resulteert in een verharde vaste stof door een zelfhardende reactie.

Dr. Wu Jun van het Orthopedisch Medisch Centrum van het Universiteit van Hong Kong-Shenzhen Ziekenhuis legde uit: “Dit materiaal lijkt sterk op de samenstelling van natuurlijk bot en biedt uitstekende veiligheid en biocompatibiliteit. Bovendien kan het vrij worden gevormd voordat het uithardt, waardoor het een van de meest veelbelovende opties voor botherstel is.”

Hoewel traditionele kunstmatige botmaterialen van calciumfosfaat stijfheid bieden, blijft hun druksterkte achter bij die van menselijk corticaal bot. Door hun gebrek aan elasticiteit zijn ze gevoelig voor breuken bij klinisch gebruik, en ze hebben moeite om zich aan te passen aan kleine vervormingen tijdens dagelijkse activiteiten, wat mogelijk kan leiden tot structurele ineenstorting en falen van de behandeling.

Deze beperkingen beperken de effectiviteit en veiligheid van bestaande bottransplantaattechnologieën, wat de noodzaak onderstreept om elastische botmaterialen te ontwikkelen om het succespercentage van groot segmentaal botherstel te verbeteren.

Drievoudig ‘high performance’ nanomateriaal

Om de tekortkomingen van bestaande calciumfosfaatbotmaterialen aan te pakken, gebruikte het onderzoeksteam nanoclusterverankeringstechnologie om met succes de mechanische eigenschappen van organische flexibele materialen en anorganische stijve materialen te integreren. Deze doorbraak resulteerde in een nieuwe “nano-kunstmatig botmateriaal” (calciumfosfaatcement (CPC)) dat uitzonderlijke elasticiteit, taaiheid en sterkte vertoont.

Professor Yeung verklaarde: “Ons doel is om de structuur van natuurlijk bot na te bootsen, en dit innovatieve nanomateriaal lijkt sterk op menselijk bot. De mechanische eigenschappen liggen dichter bij die van natuurlijk bot, waardoor het comfort en de mobiliteit van de patiënt worden verbeterd. Het kan vóór de verhardingsfase in elke vorm worden gevormd, waardoor het bijzonder geschikt is voor het repareren van onregelmatig gevormde of complexe botdefecten.”

Door gebruik te maken van het vermogen van het materiaal om in volume uit te zetten na het absorberen van water, ontwikkelde het team een ​​nieuw type elastische microbolletjes die botdefecten automatisch kunnen opvullen. Deze innovatie stroomlijnt chirurgische procedures en verbetert de behandelingsefficiëntie.

“Het nieuwe nanomateriaal behoudt de maximale druksterkte na het absorberen van water en vertoont een uitstekende elasticiteit, een eigenschap die niet wordt aangetroffen in het huidige botmateriaal. Het vormt een poreuze structuur die de celadhesie en integratie met het materiaal bevordert, waardoor de regeneratie van botweefsel wordt ondersteund. Deze vooruitgang zal meer patiënten ten goede komen en hen nieuwe hoop bieden op terugkeer naar een normaal leven.” voegde professor Yeung toe.

Professor Wong Tak-man, klinisch professor, afdeling Orthopedie en Traumatologie, School of Clinical Medicine, HKUMed, gelooft dat deze baanbrekende materiaalinnovatie meerdere voordelen zal hebben voor orthopedische behandelingen. Hij zei, “De nieuwe technologie vereenvoudigt chirurgische procedures aanzienlijk en verkort de totale operatietijd. Het materiaal vertoont uitzonderlijke sterkte, taaiheid en superieure biocompatibele eigenschappen.

“Naast het opvullen van defecten bij complexe orthopedische operaties, kan het stabiliteit bieden en de botgenezing bevorderen. Het biedt een flexibelere, veiligere en efficiëntere oplossing voor orthopedische en reconstructieve chirurgie. Last but not least kunnen we de toepassing ervan in de neurochirurgie en tandheelkunde in de nabije toekomst uitbreiden.”