Elk jaar, meer dan een miljoen Amerikanen krijgen een kunstmatige heup- of knieprothese. Dergelijke implantaten zijn ontworpen om vele jaren mee te gaan, maar bij ongeveer 17 procent van de patiënten die een totale gewrichtsvervanging krijgen, het implantaat komt uiteindelijk los en moet vroeg worden vervangen, die voor oudere patiënten gevaarlijke complicaties kunnen veroorzaken.

Om deze omslachtige handelingen te helpen minimaliseren, een team van chemische ingenieurs van het MIT heeft een nieuwe coating voor implantaten ontwikkeld waardoor ze beter aan het bot van de patiënt kunnen hechten, voortijdig falen te voorkomen.

“Hierdoor zou het implantaat veel langer meegaan, tot zijn natuurlijke levensduur, met een lager risico op falen of infectie, " zegt Paula Hammond, de David H. Koch Professor in Engineering aan het MIT en senior auteur van een paper over het werk dat in het tijdschrift verschijnt Geavanceerde materialen .

de bekleding, die de lichaamseigen cellen ertoe aanzet bot te produceren dat het implantaat op zijn plaats fixeert, kan ook worden gebruikt om fracturen te helpen genezen en tandheelkundige implantaten te verbeteren, volgens Hammond en hoofdauteur Nisarg Shah, een afgestudeerde student in het laboratorium van Hammond.

Een alternatief voor botcement

Kunstheupen bestaan ​​uit een metalen bol op een steel, het bekken en het dijbeen verbinden. De bal draait in een plastic beker die aan de binnenkant van de heupkom is bevestigd. evenzo, kunstknieën bestaan ​​uit platen en een steel die beweging van het dijbeen en scheenbeen mogelijk maken. Om het implantaat vast te zetten, chirurgen gebruiken botcement, een polymeer dat op glas lijkt wanneer het is uitgehard. In sommige gevallen, dit cement barst en het implantaat komt los van het bot, chronische pijn en verlies van mobiliteit voor de patiënt veroorzaken.

“Typisch, in zo'n geval, het implantaat wordt verwijderd en teruggeplaatst, die een enorm secundair weefselverlies bij de patiënt veroorzaakt dat niet zou zijn gebeurd als het implantaat niet had gefaald, ' zegt Sjah. "Ons idee is om falen te voorkomen door deze implantaten te coaten met materialen die natuurlijk bot kunnen induceren dat in het lichaam wordt gegenereerd. Dat bot groeit in het implantaat en helpt het op zijn plaats te fixeren.”

De nieuwe coating bestaat uit een zeer dunne film, variërend van 100 nanometer tot één micron, samengesteld uit lagen van materialen die helpen bij het bevorderen van snelle botgroei. Een van de materialen, hydroxyapatiet, is een natuurlijk bestanddeel van bot, gemaakt van calcium en fosfaat. Dit materiaal trekt mesenchymale stamcellen aan uit het beenmerg en vormt een interface voor de vorming van nieuw bot. De andere laag geeft een groeifactor af die mesenchymale stamcellen stimuleert om te transformeren in botproducerende cellen die osteoblasten worden genoemd.

Zodra de osteoblasten zich vormen, ze beginnen met het produceren van nieuw bot om de ruimtes rond het implantaat op te vullen, het aan het bestaande bot vast te maken en de noodzaak voor botcement te elimineren. Het hebben van gezond weefsel in die ruimte zorgt voor een sterkere binding en vermindert het risico op bacteriële infectie rond het implantaat aanzienlijk.

“Als botcement wordt gebruikt, er ontstaat dode ruimte tussen het bestaande bot en de implantaatsteel, waar geen bloedvaten zijn. Als bacteriën deze ruimte koloniseren, zouden ze zich blijven vermenigvuldigen, omdat het immuunsysteem ze niet kan bereiken en vernietigen. Zo'n coating zou helpen om dat te voorkomen, ' zegt Sjah.

Het duurt minstens twee of drie weken voordat het bot het implantaat opvult en volledig stabiliseert, maar een patiënt zou gedurende deze tijd nog steeds kunnen lopen en fysiotherapie kunnen doen, volgens de onderzoekers.

Afstembare controle

Er zijn eerdere pogingen gedaan om orthopedische implantaten te coaten met hydroxyapatiet, maar de films worden behoorlijk dik en onstabiel, en hebben de neiging om los te komen van het implantaat, zegt Sjah. Andere onderzoekers hebben geëxperimenteerd met het injecteren van de groeifactor of het direct op het implantaat afzetten, maar het meeste ervan loopt weg van de implantatieplaats, laat te weinig achter om enig effect te hebben.

Het MIT-team kan de dikte van de film en de hoeveelheid vrijgekomen groeifactor regelen met behulp van een methode die laag-voor-laag assemblage wordt genoemd. waarin de gewenste componenten één laag per keer worden neergelegd totdat de gewenste dikte en geneesmiddelsamenstelling zijn bereikt.

“Dit is een belangrijk voordeel omdat andere systemen tot nu toe echt niet in staat zijn geweest om de hoeveelheid groeifactor die je nodig hebt te beheersen. Veel apparaten moeten doorgaans hoeveelheden gebruiken die orden van grootte groter kunnen zijn dan u nodig heeft, wat kan leiden tot ongewenste bijwerkingen, ' zegt Sjah.

De onderzoekers voeren nu dierstudies uit die veelbelovende resultaten hebben opgeleverd:de coatings leiden tot snelle botvorming, de implantaten op hun plaats te vergrendelen.

Deze coating kan niet alleen worden gebruikt voor gewrichtsvervangingen, maar ook voor fixatieplaten en schroeven die worden gebruikt om botbreuken in te stellen. “Het is heel veelzijdig. Je kunt het op elke geometrie toepassen en overal een uniforme coating hebben, ' zegt Sjah.

Een andere mogelijke toepassing is in tandheelkundige implantaten. conventioneel, het implanteren van een kunsttand is een proces in twee stappen. Eerst, een schroef met schroefdraad is ingebed in de kaak; deze schroef moet enkele maanden stabiliseren door te integreren met het omringende botweefsel voordat de patiënt terugkeert naar de kliniek om de nieuwe kroon aan de schroef te laten bevestigen. Dit kan worden teruggebracht tot een proces in één stap waarbij de patiënt het volledige implantaat krijgt met een versie van deze coatings.

Dit onderzoek werd gefinancierd door het National Institutes of Health's National Institute on Aging en uitgevoerd aan het David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research met steun van het Institute for Soldier Nanotechnologies van MIT.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.