UConn-onderzoekers hebben een biologisch afbreekbaar composiet gemaakt van zijdevezels dat kan worden gebruikt om gebroken dragende botten te repareren zonder de complicaties die soms door andere materialen worden veroorzaakt.

Het repareren van belangrijke dragende botten, zoals die in het been, kan een lang en ongemakkelijk proces zijn.

Om reparatie te vergemakkelijken, artsen kunnen een metalen plaat installeren om het bot te ondersteunen terwijl het samensmelt en geneest. Toch kan dat problematisch zijn. Sommige metalen logen ionen uit in het omliggende weefsel, ontsteking en irritatie veroorzaken. Metalen zijn ook erg stijf. Als een metalen plaat te veel belasting op het been draagt, het nieuwe bot kan zwakker teruggroeien en kwetsbaar zijn voor breuken.

Op zoek naar een oplossing voor het probleem, UConn-professor Mei Wei, een materiaalwetenschapper en biomedisch ingenieur, wendde zich tot spinnen en motten voor inspiratie. Vooral, Wei concentreerde zich op zijdefibroïne, een eiwit dat wordt aangetroffen in de zijdevezels die door spinnen en motten worden gesponnen en dat bekend staat om zijn taaiheid en treksterkte.

De medische gemeenschap is al een tijdje op de hoogte van zijdefibroïne. Het is een veelgebruikt bestanddeel in medische hechtingen en tissue engineering vanwege zijn sterkte en biologische afbreekbaarheid. Toch had niemand ooit geprobeerd er een dicht polymeercomposiet van te maken, en dat is wat Wei nodig had als ze een beter apparaat wilde maken voor het genezen van gebroken dragende botten.

Werken met UConn universitair hoofddocent Dianyun Zhang, een werktuigbouwkundig ingenieur, Wei's lab begon met het testen van zijdefibroïne in verschillende samengestelde vormen, op zoek naar de juiste combinatie en verhouding van verschillende materialen om optimale sterkte en flexibiliteit te bereiken. Het nieuwe composiet moest zeker sterk en stijf zijn, maar niet zozeer dat het dichte botgroei zou remmen. Tegelijkertijd, het composiet moest flexibel zijn, waardoor patiënten hun natuurlijke bewegingsbereik en mobiliteit behouden terwijl het bot geneest.

Na tientallen testen, Wei en Zhang vonden de materialen die ze zochten. Het nieuwe composiet bestaat uit lange zijdevezels en vezels van polymelkzuur – een biologisch afbreekbare thermoplast die is afgeleid van maïszetmeel en suikerriet – die worden gedompeld in een oplossing waarin elk is bedekt met fijne biokeramische deeltjes gemaakt van hydroxyapatiet (het calciumfosfaatmineraal dat in tanden wordt aangetroffen). en botten). De gecoate vezels worden vervolgens in lagen verpakt op een klein stalen frame en in een hete persvorm tot een dichte composietstaaf geperst.

In een recent gepubliceerd onderzoek in de Tijdschrift voor het mechanisch gedrag van biomedische materialen , Wei meldt dat de hoogwaardige biologisch afbreekbare composiet sterkte- en flexibiliteitskenmerken vertoonde die tot de hoogste behoren die ooit in de literatuur zijn geregistreerd voor vergelijkbare bioresorbeerbare materialen.

En ze kunnen nog beter worden.

"Onze resultaten zijn echt hoog in termen van kracht en flexibiliteit, maar we zijn van mening dat als we elk onderdeel kunnen laten doen wat we willen dat ze doen, we kunnen nog hoger, " zegt Wei, die ook dienst doet als associate dean van de School of Engineering voor onderzoek en graduate onderwijs.

Het nieuwe composiet is ook veerkrachtig. Grote beenbotten bij volwassenen en senioren kunnen vele maanden duren om te genezen. Het in het laboratorium van Wei ontwikkelde composiet doet zijn werk en begint na een jaar af te breken. Voor verwijdering is geen operatie nodig.

Naast Wei en Zhang in het onderzoek waren Bryant Heimbach, een doctoraat kandidaat en materiaalwetenschapper in het laboratorium van Wei; and Beril Tonyali, a UConn undergraduate pursuing a degree in materials science and engineering.

The team has already begun testing new derivatives of the composite, including those that incorporate a single crystalline form of the hydroxyapatite for greater strength and a variation of the coating mixture to maximize its mechanical properties for bones bearing more weight.