Een heilige graal voor orthopedisch onderzoek is een methode om niet alleen kunstmatig botweefsel te creëren dat precies overeenkomt met het echte werk, maar doet dit in zo'n microscopisch detail dat het kleine structuren bevat die mogelijk belangrijk zijn voor stamceldifferentiatie, wat de sleutel is tot botregeneratie.

Onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering en het New York Stem Cell Foundation Research Institute (NYSF) hebben een grote stap gezet door de exacte replica van een bot te maken met behulp van een systeem dat biothermische beeldvorming combineert met een verwarmde 'nano-beitel'. In een onderzoek, "Kosten- en tijdbesparende lithografie van herbruikbare replica's van botweefsel van millimeters met sub-15 nm kenmerkgrootte op een biocompatibel polymeer, " die in het tijdschrift verschijnt Geavanceerde functionele materialen , de onderzoekers beschrijven een systeem waarmee ze kunnen beeldhouwen, in een biocompatibel materiaal, de exacte structuur van het botweefsel, met kenmerken die kleiner zijn dan de grootte van een enkel eiwit - een miljard keer kleiner dan een meter. Dit platform, genaamd, biothermische scanning probe lithografie (bio-tSPL), maakt een "foto" van het botweefsel, en gebruikt de foto vervolgens om er een bonafide replica van te maken.

Het team, onder leiding van Elisa Riedo, hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan NYU Tandon, en Giuseppe Maria de Peppo, een Ralph Lauren Senior Principal Investigator bij de NYSF, aangetoond dat het mogelijk is om bio-tSPL op te schalen om botreplica's te produceren op een formaat dat zinvol is voor biomedische studies en toepassingen, tegen een betaalbare prijs. Deze botreplica's ondersteunen de groei van botcellen die zijn afgeleid van de eigen stamcellen van een patiënt, het creëren van de mogelijkheid om baanbrekende nieuwe stamceltoepassingen te ontwikkelen met een breed onderzoeks- en therapeutisch potentieel. Deze technologie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de ontdekking van geneesmiddelen en resulteren in de ontwikkeling van betere orthopedische implantaten en apparaten.

Het onderzoek, "Kosten- en tijdbesparende lithografie van herbruikbare replica's van botweefsel van millimeters met sub-15 nm kenmerkgrootte op een biocompatibel polymeer, " verschijnt in Geavanceerde functionele materialen .

In het menselijk lichaam, cellen leven in specifieke omgevingen die hun gedrag beheersen en weefselregeneratie ondersteunen via het leveren van morfologische en chemische signalen op moleculaire schaal. Vooral, botstamcellen zijn ingebed in een matrix van vezels – aggregaten van collageenmoleculen, bot eiwitten, en mineralen. De bothiërarchische structuur bestaat uit een verzameling micro- en nanostructuren, waarvan de complexiteit hun replicatie tot nu toe door standaard fabricagemethoden heeft belemmerd.

"tSPL is een krachtige nanofabricagemethode die mijn laboratorium een ​​paar jaar geleden pionierde, en het wordt momenteel geïmplementeerd met behulp van een in de handel verkrijgbaar instrument, de NanoFrazor, "zei Riedo. "Echter, tot vandaag, beperkingen in termen van doorvoer en biocompatibiliteit van de materialen hebben het gebruik ervan in biologisch onderzoek verhinderd. We zijn erg enthousiast dat we deze barrières hebben doorbroken en dat we tSPL naar het domein van biomedische toepassingen hebben geleid."

De tijd- en kosteneffectiviteit, evenals de celcompatibiliteit en herbruikbaarheid van de botreplica's, maken van bio-tSPL een betaalbaar platform voor de productie van oppervlakken die elk biologisch weefsel perfect reproduceren met ongekende precisie.

"Ik ben enthousiast over de precisie die wordt bereikt met bio-tSPL. Botnabootsende oppervlakken, zoals degene die in deze studie is weergegeven, unieke mogelijkheden creëren voor het begrijpen van celbiologie en het modelleren van botziekten, en voor de ontwikkeling van geavanceerdere platforms voor drugsscreening, "zei de Peppo. "Als weefselingenieur, Ik ben vooral enthousiast dat dit nieuwe platform ons ook kan helpen om effectievere orthopedische implantaten te maken voor de behandeling van skelet- en maxillofaciale defecten als gevolg van letsel of ziekte."