Wetenschappers van het Europese project Laser4Surf ontwikkelen momenteel een multi-beam optische module om de metalen oppervlakken van tandheelkundige implantaten te behandelen om de beste celadhesie en antibacteriële eigenschappen te bereiken. "Oppervlaktebehandeling zorgt voor ofwel een groter contactoppervlak tussen het implantaat en het bot of een betere affiniteit met betrekking tot de chemische interactie tussen de cel en het implantaat, " legt Marilys Blanchy uit, een onderzoeks- en ontwikkelingsmanager bij Rescoll, een van de partners van het project. Rescoll is een technologiecentrum, gespecialiseerd in polymeerwetenschap, zelfklevende coating en medische hulpmiddelen, gevestigd in Bordeaux, aan de Franse Atlantische kust.

De materialen die tot nu toe in de tandheelkunde van implantaten zijn gebruikt, zijn biocompatibel met het lichaam, maar inert gerelateerd aan celadhesie aan het oppervlak van het apparaat. Ondanks de goede resultaten, wetenschappers streven naar een snellere osseo-integratie, d.w.z. de connectiviteit tussen het medische apparaat en de menselijke cellen. Een technologie die momenteel wordt gebruikt, is het etsen met zuur - de toepassing van chemische middelen om het oppervlak op te ruwen en een meer functionele textuur en een nieuwe topografie te creëren. "Dergelijke chemische behandelingen zijn niet biocompatibel, en moeten daarom vóór de implantatie worden verwijderd, " legt Marilys Blanchy uit. Een andere methode die momenteel wordt gebruikt, is zandstralen, waarbij harde deeltjes op het oppervlak van het implantaat worden geschoten om de ruwheid te vergroten. Maar hier, te, experts hebben kritische vragen gesteld, omdat zandstralen het oppervlak van het implantaat kan verontreinigen.

Geometrie op nanoschaal

Beide huidige praktijken werken op micronschaal, dat is een miljoenste van een meter, overwegende dat de nieuwe op laser gebaseerde techniek het oppervlak op nanoschaal zal behandelen, dat is een miljardste van een meter. De ultrakorte pulslaserstralen kunnen regelmatige patronen op het oppervlak creëren, laser-geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren (LIPSS) genoemd, wat betekent dat de wetenschappers nu een zeer nauwkeurige geometrie op het oppervlak kunnen aanpassen en daarom zelfs de oppervlaktetopografie van het implantaat op nanoschaal kunnen regelen.

Cellen hebben het vermogen om deze nanostructuren waar te nemen. Wanneer het implantaat wordt ingebracht, de cellen komen in contact met het gestructureerde oppervlak en kunnen zich vermenigvuldigen en zich langs de patronen verspreiden. "Als het implantaat glad is, gepolijst oppervlak, de cellen zullen niet goed hechten. Anderzijds, de cellen passen zich niet aan aan een stekelig oppervlak met scherpe randen, of, ' zegt Blanche.

De oplossing is om de juiste topografie in te stellen om het oppervlaktecontact van het implantaat te vergroten en de cellen meer bewegingsruimte te geven. Deze technologie is ook erg schoon, omdat het de chemische structuur van het materiaal niet verandert. De veranderingen zijn alleen mechanisch en betreffen de topografie en ruwheid. "In plaats van een ruwe, vlak oppervlak, we zullen een oppervlak hebben dat bestaat uit pieken en dalen, ", zegt Marilys Blanchy.

De botcellen zijn van nature gewend aan een poreuze architectuur, vergelijkbaar met de microstructuur van een bot, dus wetenschappers hebben lang geprobeerd natuurlijke architecturale kenmerken op het oppervlak van het implantaat na te bootsen om celadhesie te stimuleren.

"Hoe kunnen we botvormende cellen misleiden? Een manier is om zo'n laserbehandeling te gebruiken, behoud van de samenstelling van het implantaat en genereert enkele poriën aan het oppervlak, waarvan de afmetingen kunnen worden afgestemd, " zegt professor Izabela Stancu, een onderzoeker in biomaterialen, biofunctionalisatie en bio-geïnspireerde steigers. Ze vestigt de aandacht op het type ruwheid dat wordt verkregen na de laserbehandelingen waarop de cellen specifiek kunnen reageren. Soms, verschillen van 10 micron of 50 nanometer kunnen statistisch significant zijn in de cellulaire respons.

"Het voordeel van dergelijke laserbehandelingen is hun flexibiliteit om een ​​gepersonaliseerde architectuur te genereren, verbetering van het contactoppervlak tussen levende weefsels en synthetische implantaten. Als we het hebben over de oppervlakte-engineering van implanteerbare producten, of ze nu zachte of harde weefsels gebruiken, wetenschappers denken na over de natuurlijke kenmerken die moeten worden nagebootst op het grensvlak tussen weefsel en biomateriaal om celadhesie te veroorzaken. Dus, cellen kunnen het oppervlak van het implantaat herkennen als vergelijkbaar met de natuurlijke micro-omgeving waarmee ze vertrouwd zijn, " legt prof. Stancu uit.

Artsen die tegenwoordig met implantaten werken, melden ook storingen in het langetermijnonderhoud van de peri-implantaire (rond het implantaat) gezondheid. "Aangezien meer dan 97 procent van de implantaten integreert, onze inspanningen moeten gericht zijn op het voorkomen van peri-implantaire ziekten, wat kan leiden tot progressief verlies van osseontegratie, wat leidt tot botafbraak, " zegt Dr. Ignacio Sanz Sánchez, onderwijsprogramma mentor bij de European Association for Osseointegration, en hoogleraar aan de faculteit Odontologie, Complutense Universiteit van Madrid, Spanje. Omdat osseo-integratie voorspelbaar is, hij voegt toe, "de wetenschap vordert op het gebied van biologische implantaatoppervlakken, proberen het genezingsproces te versnellen en antibacteriële eigenschappen te hebben om peri-implantaire ziekten te voorkomen."

Hoe dan ook, er zijn nog uitdagingen voordat de technologie maximale voordelen kan opleveren. Naast de voldoende ruwheid, het titanium implantaat heeft ook de juiste hydrofiliciteit nodig, dat is het vermogen om water te absorberen of te adsorberen. De cellen zijn zeer hydrofiel, dus een hydrofiel oppervlak helpt de cel zich aan het oppervlak van het implantaat te hechten. "Sterke ruwheid kan bepaalde hydrofobiciteit veroorzaken (de eigenschap om water af te stoten). We moeten dus een compromis vinden tussen ruwheid en hydrofiliciteit. We werken hier vandaag aan en hopen het te overwinnen, ", zegt Marilys Blanchy.

Onderzoek naar de behandeling is nog gaande, en de volgende stap is het navigeren op het kronkelende regelgevende pad. Er worden experimenten uitgevoerd om na te gaan of er mogelijke chemische problemen zijn die de biocompatibiliteit kunnen belemmeren. Vivo-tests in het laboratorium zullen worden uitgevoerd om de functionaliteit op verschillende lasergeïnduceerde patronen te bewijzen. "Er zijn twee belangrijke voordelen van het gebruik van de laser om het implantaat te behandelen:ten eerste, we weten dat het materiaal biocompatibel is met het lichaam, en ten tweede, het zal beter voldoen aan de gerelateerde medische voorschriften. Als de chemie aan het oppervlak van het implantaat niet is veranderd, het materiaal zelf zal niet zijn veranderd, dus het product is veilig, ", voegt Blanchy toe.