Gebroken botten en gewrichtsvervangingen kunnen op een dag sneller genezen, dankzij een ongebruikelijke coating voor medische implantaten die in ontwikkeling is aan de Ohio State University.

Onderzoekers hebben ontdekt dat botcellen sneller groeien en zich voortplanten op een gestructureerd oppervlak dan op een glad oppervlak - en ze groeien het best als ze zich kunnen vastklampen aan een microscopisch hoogpolig tapijt gemaakt van minuscule metaaloxidedraadjes.

Bij testen, de draden verhoogden de celgroei met bijna 80 procent in vergelijking met andere oppervlakken, wat suggereert dat de coating gezond bot zou helpen om sneller een sterke binding met een implantaat te vormen.

De ingenieurs ontwikkelden een betaalbare techniek om de draden te maken, die ze beschrijven in een paper in het juli 2013 nummer van het tijdschrift Keramiek Internationaal .

"Wat echt opwindend is aan deze techniek, is dat we de nanodraden niet uit een massief stuk metaal of een legering hoeven te snijden. We kunnen ze helemaal opnieuw laten groeien, door gebruik te maken van de fysica en chemie van de materialen, " zei sjeik Akbar, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Ohio State. "Daarom noemen we ons proces 'nanostructuren door materiaalontwerp'."

Akbars team (mede geadviseerd door zijn collega, Suliman Dregia, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek) was in staat om de draden te laten groeien door de mix van materialen en gassen in een oven op maat te maken. Bij temperaturen rond de 1, 300 graden Fahrenheit, fijne filamenten van titaniumdioxide stegen op uit een glad titaniumoppervlak. Elk was tienduizenden keren kleiner dan een mensenhaar.

Maar toen gebeurde er iets ongewoons dat de ingenieurs niet konden verklaren. Elke draad vormde een beschermende laag aluminiumoxide om zich heen - als een laag schors rond een boomstam. De groei van de coating kan zinvol zijn, als het materiaal in de oven een titaniumlegering was die aluminium bevatte. Maar in dit geval, werkten de onderzoekers met puur titanium, dus het is niet duidelijk hoe de draden een aluminium coating hebben gekregen.

"Het is vreemd dat we niet helemaal begrijpen waarom dit proces werkt zoals het werkt. We zullen wat fancy microscopie moeten doen om erachter te komen, maar we weten wel dat de draden zich alleen onder de juiste omstandigheden vormen, ' zei Akbar.

Bij testen, de onderzoekers kweekten botkankercellen op drie verschillende oppervlakken:glad titanium, glad titaniumdioxide, en het nanodraadtapijt. (Ze kozen de kankercellen omdat de cellen bijzonder winterhard zijn, en reproduceren ook op dezelfde manier als gezonde botcellen doen.)

Het grootste verschil in celgroei deed zich voor binnen de eerste 15 uur van testen, toen onderzoekers een 20 procent hogere concentratie van het botgroei-enzym alkalische fosfatase gemeten dat wordt geproduceerd door de cellen die op de nanodraden groeien. Tegen het einde van de studie, het waren er ongeveer 90, 000 cellen per vierkante centimeter op het nanodraadoppervlak - 80 procent meer dan de 50, 000 cellen per vierkante centimeter op elk van de andere twee oppervlakken.

Studie co-auteur Derek Hansford, universitair hoofddocent biomedische technologie en materiaalkunde en techniek, zei dat de coating mensen kan helpen die heup- en knieprothesen hebben, tandheelkundige implantaten, of gebroken botten die schroeven en platen nodig hebben om ze te repareren.

"Onze hoop is dat deze oppervlaktebehandeling een eenvoudig te implementeren wijziging van titaniumimplantaten zal worden om ze te helpen een sterkere interface te vormen met het omliggende botweefsel. Een sterkere interface betekent dat implantaten en botten beter in staat zullen zijn om mechanische belastingen te delen, en we kunnen gezond bot en zacht weefsel rond de implantatieplaats beter behouden, ' zei Hansford.

Akbar is van mening dat de prijs goed is voor commerciële ontwikkeling. $ 100 aan metaalfolie is genoeg om honderden monsters te maken.

De methode om de draden te laten groeien is ook buitengewoon eenvoudig. Naast het instellen van de juiste mix van materialen en gassen, het houdt niet veel anders in dan op een knop te drukken om de laboratoriumoven aan te zetten.

"Ernstig, als je de dag in mijn lab doorbracht, je zou het zelf kunnen leren, ' zei Akbar.

Hij en zijn team onderzoeken nu andere materiaal- en gascombinaties om verschillende vormen van nanoformaat te maken voor celgroei en chemische detectie.