Nanotechnologie-onderzoekers van de Murdoch University hebben met succes synthetische materialen ontwikkeld die botvorming bij schapen aanmoedigden.

De vooruitgang betekent dat het succesvolle gebruik van synthetische materialen in bottransplantaten voor menselijke patiënten een stap dichterbij is. Het materiaal zou ook potentiële toekomstige toepassingen kunnen hebben bij breukherstel en reconstructieve chirurgie.

Momenteel het eigen bot van de patiënt, gedoneerd bot of kunstmatige materialen worden gebruikt voor bottransplantaten, maar de beperkingen van al deze opties hebben onderzoekers ertoe aangezet om te onderzoeken hoe synthetische materialen kunnen worden verbeterd.

Dr. Eddy Poinern en zijn team van de Murdoch Applied Nanotechnology Research Group werkten met poedervormen van het biokeramische hydroxyapatiet (HAP) om pellets te vormen met een sponsachtige structuur die vervolgens met succes achter de schouders van vier schapen werden geïmplanteerd door medewerkers van de school of Veterinary and Life Sciences aan de Murdoch University.

HAP wordt al gebruikt in een aantal biomedische toepassingen, zoals botvergroting in de tandheelkunde, vanwege de gelijkenis met de anorganische minerale component van menselijk bot. Maar behandelingen van HAP, zodat het met succes kan worden gebruikt in een bottransplantaat, moeten nog worden ontwikkeld vanwege de complexiteit van compatibiliteit en de belastingsbeperkingen van HAP.

Dr. Poinern en zijn team bereidden pellets met verschillende dichtheid en porositeit met behulp van een verscheidenheid aan chemische methoden, waaronder sinteren, ultrageluid en microgolven. Bij elk schaap werden vier korrels in de spieren geïmplanteerd, later aantonen van goede bio-compatibiliteit, inclusief gemengde celkolonisatie na vier weken en zelfs nieuwe botvorming 12 weken na de operatie.

"Het op deze manier gebruiken van synthetische materialen is moeilijk en gecompliceerd omdat ze zo moeten worden ontworpen dat ze poreus zijn en de verschillende fysieke, chemische en mechanische eigenschappen gevonden in natuurlijk botweefsel, " legde Dr. Poinern uit.

"Ze moeten ook niet-toxisch zijn en een afbraaksnelheid hebben waardoor cellen van de gastheer het gebied gestaag opnieuw kunnen koloniseren en de vorming van bloedvaten mogelijk maken die nodig zijn voor de levering van voedingsstoffen aan de vormende botweefsels.

"We wisten al dat synthetische HAP een goed materiaal was om te bestuderen voor mogelijk gebruik in botgerelateerde geneeskunde, maar we moesten uitzoeken of de pellets die we hadden ontwikkeld biocompatibel waren.

"Onze resultaten waren zeer positief - onze pellets fungeerden als een steiger voor de groei van botmateriaal, mogelijk gemaakt door zijn poreuze eigenschappen waardoor cellen kunnen infiltreren.

"De pellets waren ook zeer kosteneffectief om te maken."

Hoewel het onderzoek kleinschalig was en oorspronkelijk bedoeld was om de biocompatibiliteit van de HAP-pellets te testen, de botgroei was groter dan het interdisciplinaire team had verwacht.

Universitair hoofddocent Martin Cake, die de korrels chirurgisch in de schapen implanteerde, beschreef de resultaten als "verbluffend" en zei dat ze een goed voorteken waren voor het gebruik van gemanipuleerde HAP in botimplantaten.

"Dit materiaal begint als een poeder dat in theorie in elke vorm kan worden gegoten, of misschien ooit zelfs 3D geprint, daarna gesinterd om het te harden, " hij zei.

Universitair hoofddocent Phil Nicholls, die de pathologie in de studie ondernam, voegde toe:"Het is nog vroeg, maar we hopen dat dit werk zal helpen bij het ontwikkelen van verdere samenwerkingen tussen onze eigen scholen, en met andere instellingen.

"Het is een voorbeeld van waarom we denken dat de opkomende gezondheidscampus rond het nieuwe Fiona Stanley-ziekenhuis een echte katalysator zal zijn voor translationeel onderzoek. Er zijn maar weinig andere plaatsen waar deze combinatie van mogelijkheden zich in één district bevindt."

Dr. Poinern zei dat hij hoopte de fysieke en mechanische eigenschappen van de pellets te verbeteren en te matchen met die van natuurlijk botweefsel in een nieuwe studie.

"Als deze eigenschappen eenmaal zijn bereikt, verdere implantatiestudies zullen worden uitgevoerd om de haalbaarheid vast te stellen van het gebruik van deze scaffold voor bottransplantaten, " hij zei.

Het artikel van Dr. Poinern et al. over het onderzoek is gepubliceerd in Nature's Wetenschappelijke rapporten logboek.

De implantatiestudie werd uitgevoerd bij niet-drachtige Merino-ooien met goedkeuring van de Animal Ethics Committee van Murdoch University en alle experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de gedragscode van de Australian National Health and Medical Research Council (NHMRC) voor de verzorging en het gebruik van dieren voor wetenschappelijke doeleinden.

In overeenstemming met de ethische principes van de Code, de schapen werden gelijktijdig gebruikt in een niet-verwante proef met chirurgie van de kniegewrichten.

Nadat de korrels waren verwijderd, de schapen werden op humane wijze geëuthanaseerd.