Hardere en lichtere kronen van tandheelkundige implantaten kunnen worden gemaakt van op cellulose gebaseerde nanocomposieten

De natuur biedt unieke inzichten in ontwerpstrategieën die zijn ontwikkeld door levende organismen om robuuste materialen te construeren. In dit geval kon de onderzoeksgroep een nieuw slagvast materiaal maken, geïnspireerd op de dactyl-club van de bidsprinkhaangarnaal. Het nieuwe materiaal kan worden gebruikt in toepassingen die bestand moeten zijn tegen herhaalde schokken met hoge spanningssnelheden, terwijl de structurele integriteit behouden blijft. De onderzoeksresultaten zijn op 1 september 2021 gepubliceerd in Geavanceerde materialen.

Een onderzoeksgroep bij VTT’s is erin geslaagd een gemineraliseerde biocomposiet te ontwerpen en te produceren met een hoge sterkte, stijfheid en breuktaaiheid die lijkt op het architecturale ontwerp van de dactyl-club van de bidsprinkhaangarnaal.

“Deze betoverende garnalen zijn een van de dodelijkste moordmachines van de natuur. In verhouding tot hun kleine formaat hebben ze de sterkste stoot in het dierenrijk. Ze verpletteren hun prooi door een paar hamerachtige roofvogelaanhangsels te gooien met een enorme snelheid en kracht groter dan geweerkogels tijdens jacht op korte afstand”, legt dr. Pezhman Mohammadi, onderzoekswetenschapper bij VTT, uit. “De belangrijkste voedselbronnen van de bidsprinkhaangarnaal zijn mariene organismen met harde schaal, zoals weekdieren. Om bij het zachte, voedzame deel te komen, vernietigen ze dwars door deze sterk gemineraliseerde exoskeletten.”

Eerdere studies hebben aangetoond dat de club een meerfasig hiërarchisch geordend nanocomposiet is met graduele mechanische eigenschappen. “De club heeft een zachte binnenlaag die zorgt voor energieafvoer en een stijve, harde en slagvaste buitenlaag. Samen verbeteren de lagen de algehele schadetolerantie van de club. Beide lagen hebben vergelijkbare bouwstenen, maar in verschillende relatieve inhoud, polymorfe vorm en organisatie.De belangrijkste bouwsteen zijn de helicoïdaal geordende chitine-nanofibrillen die aan elkaar zijn gelijmd door een eiwitrijke matrix, “vertelt Mohammadi.

Combinatie van nanokristallen van cellulose en eiwitten

De onderzoeksgroep repliceerde deze structuur door gebruik te maken van vergelijkbare bouwstenen en verwerkingsomstandigheden. Ze assembleerden een nieuwe composiet, die bestaat uit nanokristallen van cellulose en twee soorten genetisch gemanipuleerde eiwitten. Eén eiwit is ontworpen om de grensvlaksterkte van het materiaal te vergroten en het andere om kiemvorming en groei van hydroxyapatietkristallen te bemiddelen. Dit nieuwe composiet werd verwerkt tot ingewikkelde vormen door het te vervaardigen tot een kroon van een tandheelkundig implantaat met periodieke patronen van microversterkingsoriëntatie en een dubbellaagse architectuur die lijkt op menselijke tanden. Met verder onderzoek kunnen de eiwitten worden gemanipuleerd om nieuwe eigenschappen aan het materiaal te geven.

Voor toekomstige toepassingen moeten de schaalbaarheid en verwerkingsomstandigheden van het materiaal verder worden ontwikkeld.