Onderzoekers van de Universiteit van Birmingham hebben een nieuwe manier ontwikkeld om botvervangende materialen te maken die ervoor zorgen dat cellen eromheen en erin kunnen groeien.

Het team koos voor een nieuwe aanpak genaamd chemobrionics, waarin chemische componenten gecontroleerd worden aangestuurd om op specifieke manieren met elkaar te reageren, waardoor de zelfassemblage van ingewikkelde bio-geïnspireerde structuren mogelijk is.

Wetenschappers hebben deze levensechte 'chemische tuinen' enkele honderden jaren geleden voor het eerst waargenomen, maar recente hernieuwde interesse op het gebied van chemobrionics heeft ertoe geleid dat onderzoekers deze technieken gebruiken om nieuwe materialen op micro- en nanoschaal te ontwerpen.

De Birmingham-onderzoekers wilden onderzoeken of chemobrionics ook kunnen worden ingezet voor biotechnologische toepassingen.

Hoofdauteur Erik Hughes, van de School of Chemical Engineering aan de Universiteit van Birmingham, legt uit:"We wilden onderzoeken of chemobrionics kunnen worden gebruikt om architecturen te vormen die chemisch en structureel vergelijkbaar zijn met menselijk bot. Zodra een methode is vastgesteld om dergelijke structuren te genereren, de natuurlijke volgende stap voorwaarts is om te evalueren of chemobrionische materialen ideale kaders kunnen bieden voor botregeneratie."

Het team gebruikte een met calcium beladen gel gelaagd onder een fosfaatoplossing, en slaagde erin lange holle buisjes op microschaal te kweken van hydroxyapatietmateriaal dat qua samenstelling vergelijkbaar is met natuurlijk bot. Hydroxyapatiet wordt vaak gebruikt als botvervangend materiaal, maar het wordt meestal vervaardigd als poeder of als een hard blok, die vervolgens moet worden gevormd met verdere verwerking.

De individuele structuren die door het Birmingham-team zijn gekweekt, zijn ongeveer zo dik als een lok mensenhaar. Deze buizen hebben onderscheidende kenmerken, inclusief poreuze oppervlakken die interacties met cellen bevorderen. Gepubliceerd in RSC Biomaterialen Wetenschap , de studie toont de gelijkenis van de buizen met veel van de structuren in botweefsel aan, zoals osteons - lange cilindrische kanalen in het bot die bloedvaten huisvesten.

"We kunnen veel voorbeelden vinden van chemobrionische principes aan het werk in de natuur, " legt Erik uit. "Bijvoorbeeld op de oceaanbodem, we zien hete mineraalrijke vloeistoffen uitgestoten door hydrothermale ventilatieopeningen die reageren met het koele zeewater om schoorsteenachtige structuren te vormen. We gebruiken dezelfde mechanismen om deze nieuwe structuren te maken voor toepassingen in de regeneratieve geneeskunde."

Het team heeft het vermogen van de buizen getest om celhechting te ondersteunen, levensvatbaarheid en groei in het laboratorium met behulp van stamcellen. Ze waren in staat om na slechts 48 uur uitgebreide verspreiding van de cellen op en binnen de buizen te zien, wijst op gunstige cel-materiaal interacties.

"Het gebruik van chemobrionics om materialen te produceren die biocompatibel zijn, is een relatief nieuwe benadering, maar we zijn erg enthousiast over zijn potentieel, " zegt mede-eerste auteur Miruna Chipara, die ook is gevestigd in de School of Chemical Engineering aan de Universiteit van Birmingham. "Vooral, de manier waarop deze structuren cellulaire integratie bevorderen, betekent dat ze op grote schaal nuttig kunnen zijn voor botregeneratie".

De volgende stappen voor de onderzoekers omvatten het uitvoeren van verdere tests om de eigenschappen van de buisvormige materialen aan te tonen en hoe ze kunnen worden aangepast om de weefselregeneratie te verbeteren. De onderzoekers hopen dat hun werk zal leiden tot de ontwikkeling van een nieuwe klasse van chemobrionische botvervangingsmaterialen.