Een nieuw materiaal dat ervoor zorgt dat stamcellen bot gaan vormen, kan een effectievere behandeling mogelijk maken voor moeilijk te genezen botbreuken en defecten. zegt een biomedisch ingenieur van de Texas A&M University die deel uitmaakt van het team dat het biomateriaal ontwikkelt.

Het onderzoek van het team wordt gedetailleerd beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano en wordt ondersteund door de National Science Foundation en de National Institutes of Health. De bevindingen zouden de manier kunnen veranderen waarop medische professionals botbreuken behandelen die moeilijk te genezen zijn en vaak bottransplantatieprocedures vereisen, zegt Akhilesh Gaharwar, assistent-professor biomedische technologie bij Texas A&M.

Het biomateriaal, die bestaat uit nanoformaat, tweedimensionale deeltjes ingebed in een gel, stimuleert botgroei door een complex signaalmechanisme zonder het gebruik van eiwitten die bekend staan ​​als groeifactoren, Gaharwar legt het uit. Groeifactoren worden gebruikt in conventionele behandelingen, maar kan leiden tot ernstige bijwerkingen vanwege de grote hoeveelheden die nodig zijn om cellen te stimuleren, hij zegt.

"We proberen deze problemen te overwinnen door het gebruik van groeifactoren te vermijden terwijl we het natuurlijke botgenezingsproces recapituleren, " zegt Gaharwar. "Ons materiaal is een totaal ander, alternatieve strategie waarbij we door het gebruik van mineralen differentiatie in stamcellen kunnen induceren en de vorming van botachtig weefsel kunnen bevorderen."

Die mineralen, Gaharwar legt uit, zijn grotendeels orthokiezelzuur, magnesium en lithium – gecombineerd in kleine nanosilicaatdeeltjes van 100, 000 keer dunner dan een vel papier. De ultradunne nanodeeltjes zijn ingebed in een op collageen gebaseerde hydrogel, een biologisch afbreekbare gel die in verschillende biomedische toepassingen wordt gebruikt vanwege zijn compatibiliteit met het lichaam.

Wanneer nanosilicaten worden opgenomen in een gelatinematrix, verschillende fysieke, chemische en biologische eigenschappen van de hydrogel worden verbeterd, Gaharwar legt het uit. Bijvoorbeeld, de hydrogel kan worden ontworpen om gedurende een bepaalde tijd op de plaats van de verwonding te blijven door de interacties tussen de nanosilicaten en gelatine te beheersen, Gaharwar voegt eraan toe. Dit maatwerk, Gaharwar zegt, kan ervoor zorgen dat de geïnjecteerde hydrogel de defecte holte binnendringt en het helpt genezen terwijl het langzaam degradeert als het wordt vervangen door natuurlijk weefsel.

Testen op de mechanische eigenschappen van het materiaal zijn ook veelbelovend, zegt Gaharwar. Naast het vermogen om te worden geïnjecteerd op de plaats van een verwonding, het materiaal bereikt een drie tot vier keer hogere stijfheid eenmaal in het lichaam, waardoor het op zijn plaats kan worden vergrendeld. Dit voorkomt dat het materiaal naar andere delen van het lichaam stroomt, waardoor ongewenste bijwerkingen worden vermeden, zegt Gaharwar.

De resultaten, Gaharwar zegt, positief zijn geweest, zoals blijkt uit zowel korte- als langetermijnindicatoren van botgroei. Eerste testen, hij zegt, een drievoudige toename van de activiteit van alkalische fosfatase vertonen, een marker voor vroege botvorming (bekend als osteogenese). Dit is een bevestiging, Gaharwar legt uit, dat het signaleringsproces inderdaad stamcellen "vraagt" om te differentiëren tot botcellen. Late markers zijn ook positief, hij voegt toe, opmerkend dat ze een viervoudige toename vertonen in de aanwezigheid van calciumfosfaat, een hoofdbestanddeel van bot.

"De dynamische en bioactieve nanocomposietgels die we hebben ontwikkeld, zijn veelbelovend in toepassingen voor botweefselengineering, ' zegt Gaharwar.

Als onderdeel van toekomstig onderzoek, Gaharwar plant verder onderzoek naar het proces waarmee de nanobloedplaatjes celdifferentiatie veroorzaken. Aanvullend, de afschuifverdunnende eigenschap van de gel kan worden gebruikt om driedimensionale weefselstructuren vol cellen te printen, hij legt uit. Met dit in gedachten, Gaharwar werkt samen met collega's om op maat gemaakte, gevasculariseerde steigers die het materiaal gebruiken en operatief kunnen worden ingebracht op de plaats van ernstiger letsel waar injectie geen optie is. De steigers, hij legt uit, zou de plaats van de verwonding de bloedstroom laten ontvangen als onderdeel van het verbeterde genezingsproces dat door de nanodeeltjes wordt geïnitieerd. Het is een systeem dat volgens Gaharwar enkele van de uitdagingen zal aanpakken die gepaard gaan met het ontwerpen van complexe weefsels of organen.

"Op basis van onze sterke voorstudies, we voorspellen dat deze zeer biofunctionele deeltjes een enorm potentieel hebben om te worden gebruikt in biomedische toepassingen, " merkt hij op.