Een hybride meta-biomateriaal dat botgroei bevordert, vind je niet in de natuur, maar het kan worden gemaakt met behulp van een 3D-printer en bestaande biomaterialen. Onderzoekers van de TU Delft hebben een meta-implantaat ontwikkeld dat een conventioneel meta-biomateriaal combineert met een auxetisch meta-biomateriaal. In tegenstelling tot natuurlijke materialen, auxetica hebben een negatieve Poisson-ratio - wanneer uitgerekt, loodrecht op de uitgeoefende kracht worden ze dikker. Het materiaal kan daarom worden gebruikt in heupimplantaten om hun fixatie op de lange termijn te garanderen. De Delftse onderzoekers publiceren hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Materialen Horizons op 2 januari 2018.

Rond het jaar 2020, het aantal heupprothesen wereldwijd stijgt naar verwachting tot 2,5 miljoen per jaar. Met behulp van de huidige technologie, ongeveer 10 procent van deze implantaten zit 10 jaar na de operatie niet meer stevig vast. Dit inspireerde TU Delft-hoogleraar Amir Zadpoor ​​om een ​​manier te vinden om het losraken van implantaten te voorkomen. Zadpoor ​​denkt nu een oplossing te hebben gevonden met behulp van een auxetisch meta-biomateriaal.

Meta-biomaterialen zijn de biomedische variant van zogenaamde metamaterialen, materialen die eigenschappen vertonen die niet in de natuur voorkomen. In hun publicatie, Zadpoor ​​en zijn collega's schetsen het immense potentieel van metamaterialen bij de ontwikkeling van medische implantaten. "Auxetisch meta-biomateriaal, ontworpen met behulp van eenvoudige geometrie en gedrukt in titanium, toont de unieke mechanische eigenschap van uitzetten onder druk. Dit maakt het ideaal voor gebruik naast materialen die het tegenovergestelde doen, " legt Zadpoor ​​uit. "Als iemand met een heupimplantaat loopt, de prothese wordt onderworpen aan verschillende krachten. Als er te veel druk ontstaat aan één kant van de prothese, het kan losraken van het bot, wat zeer onwenselijk is."

De onderzoekers denken dat een hybride prothese gemaakt van meta-biomaterialen met een positieve Poisson-ratio en die met een negatieve Poisson-ratio veel meer gefixeerd zullen raken in het lichaam. "Dit zal de kansen op botgroei op de hybride meta-biomaterialen aanzienlijk verbeteren, het implantaat veel steviger op zijn plaats houden." Zadpoor ​​denkt ook dat hij dit nieuwe materiaal in de toekomst kan gebruiken om de belangrijkste oorzaak van het losraken van het implantaat aan te pakken. "Omdat er minder onnatuurlijke krachten op de prothese werken, er is een kleinere kans op afslijten van plastic deeltjes in de heupcup, wat het risico op losraken kan vergroten."

Zadpoors experiment omvatte een verticale compressie op een implantaat omgeven door botachtig materiaal (speciaal schuim met de mechanische eigenschappen van bot). De kracht simuleert de spanning die wordt uitgeoefend op een implantaat in het menselijk lichaam. Als gevolg van deze druk, het nieuwe implantaat zet uit, wat resulteert in compressie in het omringende bot aan beide zijden (de turquoise kleur die te zien is in de bovenstaande afbeelding). Het is precies deze compressie die kan zorgen voor een verbeterde implantaatfixatie. Klinische proeven moeten nog worden uitgevoerd. In de komende jaren, de primaire onderzoeksvraag van de Delftse groep – die gaat samenwerken met onderzoekers van verschillende academische ziekenhuizen – is hoe deze eigenschappen precies kunnen worden gebruikt om betere implantaten te ontwikkelen.

"Innovatie op het gebied van heupimplantaten is hard nodig, en de nieuwe methode van professor Zadpoor ​​heeft zeker de potentie om de levensduur van implantaten te verlengen. Een gefaseerde invoering, beginnend met 3D-metingen van dit implantaat bij patiënten, zal noodzakelijk zijn om een ​​veilige kwaliteitsverbetering voor patiënten te garanderen, " zegt professor Rob Nelissen, Medical Delta Professor en orthopedisch chirurg in het Leids Universitair Medisch Centrum.

De krant, "Rationeel ontworpen meta-implantaten:een combinatie van auxetische en conventionele meta-biomaterialen, " werd gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift van de Royal Society of Chemistry Materialen Horizons .