Medische implantaten zouden minder vaak kapot kunnen gaan als ze worden gecoat met een microscopisch gerimpeld keramisch materiaal, ontworpen door onderzoekers van de Universiteit van Michigan. De coating is beschreven in een artikel gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces.
De zeer kleine kreukels van het materiaal hebben de perfecte maat voor jonge botcellen en immuuncellen om zich aan vast te hechten. Dankzij hun stevigere grip op de coatings kunnen menselijke cellen zich sterker aan het implantaat hechten en zich langs het oppervlak ervan uitstrekken. Uitgerekte botcellen ontwikkelen zich sneller, en uitgerekte immuuncellen hebben de neiging om weefsel te helpen genezen en ontstekingen te verminderen in plaats van het implantaat als een vreemde indringer aan te vallen, dus de onderzoekers denken dat hun coatings medische implantaten succesvoller zouden kunnen maken.
“Medische implantaten falen als ze niet goed integreren in het lichaam, ofwel omdat immuuncellen het implantaat proberen af te stoten, ofwel omdat er onvoldoende weefselgenezing rond het implantaat plaatsvindt”, zegt Jouha Min, assistent-professor in de chemische technologie en de corresponderende auteur van de studie.
“De meeste onderzoeken richten zich slechts op één probleem tegelijk, maar de coatings kunnen beide problemen aanpakken en een patiënt helpen veel sneller terug te keren naar zijn normale leven”, voegde Min eraan toe.
Wanneer het weefsel rond een medisch implantaat niet goed geneest, kan het implantaat loskomen en een bepaalde functie verliezen, wat vaak nodig is corrigerende operatie. Dit probleem, dat aseptische loslating wordt genoemd, is verantwoordelijk voor ongeveer 20% van alle revisieoperaties van de heup en 25% van alle revisieoperaties van de knie. het rapport uit 2023 van de American Academy of Orthopaedic Surgeons. Ontstekingsproblemen zijn verantwoordelijk voor nog eens 22% van de heuprevisies en ongeveer 33% van de knierevisies.
Van de 3,1 miljoen heup- en knievervangingen die tussen 2012 en 2022 werden uitgevoerd, vereisten bijna 236.000 corrigerende operaties. Met het jaarlijkse aantal heup- en knievervangingen stijgenhebben veel mensen baat bij implantaten die beter in hun lichaam integreren.
De gerimpelde coatings zouden kunnen helpen bij het maken van een succesvol implantaat, maar alleen als de grootte van de groeven in de coatings nauwkeurig kan worden gecontroleerd, aldus de nieuwe studie. Wanneer de groeven in de coating ongeveer 2 micrometer breed zijn, beginnen menselijke cellen zich uit te rekken en vormen ze vingerachtige aanhangsels die zich aan de groeven hechten, die meer dan tien keer kleiner zijn dan de botcellen.
Terwijl de cellen zich een weg banen in hun omgeving, zetten ze ook genetische schakelaars aan die de ontwikkeling stimuleren tot volwassen botcellen of immuuncellen die ontstekingen verminderen. Wanneer de breedte van de groeven in de coating kleiner is dan één micrometer, rekken de cellen niet uit. Als gevolg hiervan ontwikkelen botcellen zich langzamer en worden immuuncellen geactiveerd om vreemde lichamen te bestrijden en ontstekingen te veroorzaken.
“Door van de nano- naar de microschaal te gaan, kunnen we de weefselcellen sturen ten gunste van een succesvol implantaat”, zegt Mohammad Asadi Tokmedash, een doctoraalstudent chemische technologie en de eerste auteur van het onderzoek.
Dankzij de nieuwe coatingproductiemethode van de onderzoekers kunnen ze de grootte van de groeven controleren. Eerst brengen ze het keramische materiaal laag voor laag aan op een polystyreenplaat.
Zodra het keramiek voldoende dik is, verwarmen de onderzoekers de polystyreenplaat, waardoor deze krimpt. Het bevestigde keramiek krimpt mee met het polystyreen, maar scheurt en vervormt ook omdat het minder flexibel is dan het polystyreen. De resulterende scheuren en bochten worden de groeven waar de cellen aan vastklikken, en de grootte van de groeven wordt bepaald door de dikte van de keramische lagen die bovenop de polystyreenplaat worden aangebracht voordat deze wordt verwarmd.
Er is één nadeel aan het weglaten van kleinere groeven op nanoschaal in de coating: ze zijn beter in het voorkomen dat pathogene bacteriën zich eraan hechten door een ruw, stekelig oppervlak te creëren dat de celmembranen van bacteriën beschadigt. Grotere groeven op microschaal kunnen ideaal zijn voor menselijke cellen om zich aan vast te hechten, maar ze bieden ook veel ruimte voor bacteriën om zich in de coatings te verstoppen en erop te groeien.
Omdat infectie een andere belangrijke oorzaak is van het falen van implantaten, werkt het team momenteel aan een methode waarmee hun coatings bacteriën kunnen doden en tegelijkertijd veilige handvatten bieden waar menselijke cellen zich aan kunnen hechten. Toekomstige experimenten zullen hun idee testen. De coatings werden bestudeerd door het Michigan Center for Materials Characterization.
Meer informatie:
Mohammad Asadi Tokmedash et al., Designer Micro-/Nanocrumpled MXene Multilayer Coatings versnellen de osteogenese en reguleren de polarisatie van macrofagen, ACS toegepaste materialen en interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.3c18158
Tijdschriftinformatie:
ACS toegepaste materialen en interfaces
Geleverd door het University of Michigan College of Engineering