Engineering team ontwikkelt proces om implantaten veiliger te maken

Grafisch abstract. Credit: ACS Toegepaste Materialen & Interfaces (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c01195

Een interdisciplinair team van onderzoekers van de Universiteit van Alabama in Birmingham heeft een nieuw plasma-enabled proces ontwikkeld dat de verspreiding van toxines van implantaten in de bloedbaan van een patiënt zou kunnen beperken. Het team, geleid door Vinoy Thomas, Ph.D., universitair hoofddocent aan de afdeling Mechanical and Materials Engineering van de UAB School of Engineering, publiceerde onlangs bevindingen in de ACS Toegepaste Materialen & Interfaces logboek.

In het artikel leggen de auteurs uit dat een grote uitdaging bij het ontwikkelen van met nanodeeltjes gemodificeerd biomedisch implantaatmateriaal is om metalen nanodeeltjes op verschillende oppervlakken stabiel te hechten, met name polymeeroppervlakken.

“Al jaren hebben wetenschappers de synthese van metallische nanodeeltjes in waterige oplossingen bereikt met behulp van zowel chemische als biologische (plantenextracten) reductiemiddelen,” zei Thomas. “De uitdaging van het hechten van metalen nanodeeltjes is vooral moeilijk in gevallen van hydrofobe polymere biomaterialen, waar de meeste polymere biomaterialen onder vallen.”

Om deze uitdaging aan te gaan, ontwikkelden Thomas en zijn team een ​​plasma-enabled proces dat plasma stroomloze reductie wordt genoemd. Het PER-proces stelt onderzoekers in staat gouden en zilveren nanostructuren te deponeren op verschillende 2D- en 3D-polymeeroppervlakken, zoals cellulosepapier, op polypropyleen gebaseerde gezichtsmaskers en 3D-geprinte polymeersteigers.

“Het is algemeen bekend dat er toxiciteitsproblemen zijn door de snelle en voortijdige afgifte van de metalen nanostructuren van het implantaatmateriaal in de bloedbaan,” zei Thomas. “Dit probleem kan alleen worden aangepakt door te zorgen voor een stabiele verankering van de metalen nanostructuren op implantaatoppervlakken. Dit heeft ons geïnspireerd om ons PER-proces te optimaliseren door systematisch en diepgaand onderzoek uit te voeren naar de concentratie van de metalen voorloper gevolgd door sonicatiespoeling vóór celkweek in vitro.”

In de studie van Thomas was zijn team in staat om met succes zilveren nanodeeltjes op het oppervlak van 3D-geprinte polymeren te verankeren zonder dat ze snel in de omgeving vrijkomen. Dankzij de expertise op het gebied van additieve fabricage van het team konden ze ook kleinere 3D-steigerwafels ontwerpen die in de put van een plaat met 96 putjes passen.

“We verwachten dat het ontwerp van een dergelijk consistent kleiner 3D-steigerontwerp zou zorgen voor grootschalige en betrouwbaardere in-vitrotests van 3D-steigers,” zei Thomas. “Deze systematische optimalisatie van het maken van uniforme metalen nanostructuren op 3D-steigers met cytocompatibiliteit en potentiële antibacteriële eigenschappen zal zeer relevant zijn en mogelijk een impact hebben op de toekomstige ontwikkeling van biocompatibele steigers, vooral voor osteomyelitis.”

Het team heeft twee jaar nodig gehad om het PER-proces te ontwikkelen, maar het proces is slechts een van de vele aspecten die Thomas bestudeert met betrekking tot plasma.

“Plasma, de vierde toestand van materie, is een gedeeltelijk geïoniseerd gas dat een van de groenere methoden is om metallische nanodeeltjes in een vloeibare fase te synthetiseren”, zei hij. “Het heeft een enorm vermogen in materiaalverwerking en om oppervlakken te ontsmetten om de verspreiding van COVID-19 en andere overdraagbare ziekten te voorkomen.”