Wetenschap

Science >> Wetenschap > >> nanotechnologie

Gerimpelde coatings kunnen voorkomen dat medische implantaten falen

De zeer kleine kreukels van het materiaal hebben de perfecte maat voor jonge botcellen en immuuncellen om zich aan vast te hechten. Dankzij hun stevigere grip op de coatings kunnen menselijke cellen zich sterker aan het implantaat hechten en zich langs het oppervlak ervan uitstrekken. Uitgerekte botcellen ontwikkelen zich sneller, en uitgerekte immuuncellen hebben de neiging om weefsel te helpen genezen en ontstekingen te verminderen in plaats van het implantaat aan te vallen als een vreemde indringer. De onderzoekers denken dus dat hun coatings medische implantaten succesvoller kunnen maken.

“Medische implantaten falen als ze niet goed integreren in het lichaam, ofwel omdat immuuncellen het implantaat proberen af te stoten, ofwel omdat er onvoldoende weefselgenezing rond het implantaat plaatsvindt”, zegt Jouha Min, assistent-professor in de chemische technologie en de corresponderende auteur van de studie.

"De meeste onderzoeken richten zich slechts op één probleem tegelijk, maar de coatings kunnen beide problemen aanpakken en een patiënt helpen veel sneller terug te keren naar zijn normale leven", voegde Min eraan toe.

Wanneer het weefsel rondom een medisch implantaat niet goed geneest, kan het implantaat loskomen en zijn functie verliezen, wat vaak een corrigerende operatie vereist. Volgens het rapport van de American Academy of Orthopaedic Surgeons uit 2023 is dit probleem, dat aseptische loslating wordt genoemd, verantwoordelijk voor ongeveer 20% van alle heuprevisieoperaties en 25% van alle knierevisieoperaties. Ontstekingsproblemen zijn verantwoordelijk voor nog eens 22% van de heuprevisies en ongeveer 33% van de knierevisies.

Van de 3,1 miljoen heup- en knievervangingen die tussen 2012 en 2022 werden uitgevoerd, vereisten bijna 236.000 corrigerende operaties. Nu het jaarlijkse aantal heup- en knievervangingen stijgt, zullen veel mensen baat hebben bij implantaten die beter in hun lichaam integreren.

De gerimpelde coatings zouden kunnen helpen bij het maken van een succesvol implantaat, maar alleen als de grootte van de groeven in de coatings nauwkeurig kan worden gecontroleerd, aldus de nieuwe studie. Wanneer de groeven in de coating ongeveer 2 micrometer breed zijn, beginnen menselijke cellen zich uit te rekken en vormen ze vingerachtige aanhangsels die zich aan de groeven hechten, die meer dan 10 keer kleiner zijn dan de botcellen.

Jouha Min, een assistent-professor in de chemische technologie, kijkt toe hoe Mohammad, een promovendus in Jouha's laboratorium, reagentia mengt om de keramische coating te maken. Krediet:Jacob Robins, Min-lab, Universiteit van Michigan.

Terwijl de cellen zich een weg banen in hun omgeving, zetten ze ook genetische schakelaars aan die de ontwikkeling stimuleren tot volwassen botcellen of immuuncellen die ontstekingen verminderen. Wanneer de breedte van de groeven in de coating kleiner is dan één micrometer, rekken de cellen niet uit. Als gevolg hiervan ontwikkelen botcellen zich langzamer en worden immuuncellen geactiveerd om vreemde lichamen te bestrijden en ontstekingen te veroorzaken.

"Door van de nano- naar de microschaal te gaan, kunnen we de weefselcellen sturen ten gunste van een succesvol implantaat", zegt Mohammad Asadi Tokmedash, een doctoraalstudent chemische technologie en de eerste auteur van het onderzoek.

Dankzij de nieuwe coatingproductiemethode van de onderzoekers kunnen ze de grootte van de groeven controleren. Eerst brengen ze het keramische materiaal laag voor laag aan op een polystyreenplaat.

Zodra het keramiek voldoende dik is, verwarmen de onderzoekers de polystyreenplaat, waardoor deze krimpt. Het bevestigde keramiek krimpt mee met het polystyreen, maar scheurt en vervormt ook omdat het minder flexibel is dan het polystyreen. De resulterende scheuren en bochten worden de groeven waar de cellen aan vastklikken, en de grootte van de groeven wordt bepaald door de dikte van de keramische lagen die bovenop de polystyreenplaat worden aangebracht voordat deze wordt verwarmd.

Er is één nadeel aan het weglaten van kleinere groeven op nanoschaal in de coating:ze zijn beter in het voorkomen dat pathogene bacteriën zich eraan hechten door een ruw, stekelig oppervlak te creëren dat de celmembranen van bacteriën beschadigt. Grotere groeven op microschaal kunnen ideaal zijn voor menselijke cellen om zich aan vast te hechten, maar ze bieden ook veel ruimte voor bacteriën om zich in de coatings te verstoppen en erop te groeien.

Omdat infectie een andere belangrijke oorzaak is van het falen van implantaten, werkt het team momenteel aan een methode waarmee hun coatings bacteriën kunnen doden en tegelijkertijd veilige handvatten bieden waar menselijke cellen zich aan kunnen hechten. Toekomstige experimenten zullen hun idee testen. De coatings zijn bestudeerd door het Michigan Center for Materials Characterization.

Meer informatie: Mohammad Asadi Tokmedash et al, ontwerper micro-/nanocrumpled MXene meerlaagse coatings versnellen de osteogenese en reguleren de polarisatie van macrofagen, ACS toegepaste materialen en interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c18158
Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS

Aangeboden door University of Michigan College of Engineering

De zeer kleine kreukels van het materiaal hebben de perfecte maat voor jonge botcellen en immuuncellen om zich aan vast te hechten. Dankzij hun stevigere grip op de coatings kunnen menselijke cellen zich sterker aan het implantaat hechten en zich langs het oppervlak ervan uitstrekken. Uitgerekte botcellen ontwikkelen zich sneller, en uitgerekte immuuncellen hebben de neiging om weefsel te helpen genezen en ontstekingen te verminderen in plaats van het implantaat aan te vallen als een vreemde indringer. De onderzoekers denken dus dat hun coatings medische implantaten succesvoller kunnen maken.

“Medische implantaten falen als ze niet goed integreren in het lichaam, ofwel omdat immuuncellen het implantaat proberen af te stoten, ofwel omdat er onvoldoende weefselgenezing rond het implantaat plaatsvindt”, zegt Jouha Min, assistent-professor in de chemische technologie en de corresponderende auteur van de studie.

"De meeste onderzoeken richten zich slechts op één probleem tegelijk, maar de coatings kunnen beide problemen aanpakken en een patiënt helpen veel sneller terug te keren naar zijn normale leven", voegde Min eraan toe.

Wanneer het weefsel rondom een medisch implantaat niet goed geneest, kan het implantaat loskomen en zijn functie verliezen, wat vaak een corrigerende operatie vereist. Volgens het rapport van de American Academy of Orthopaedic Surgeons uit 2023 is dit probleem, dat aseptische loslating wordt genoemd, verantwoordelijk voor ongeveer 20% van alle heuprevisieoperaties en 25% van alle knierevisieoperaties. Ontstekingsproblemen zijn verantwoordelijk voor nog eens 22% van de heuprevisies en ongeveer 33% van de knierevisies.

Van de 3,1 miljoen heup- en knievervangingen die tussen 2012 en 2022 werden uitgevoerd, vereisten bijna 236.000 corrigerende operaties. Nu het jaarlijkse aantal heup- en knievervangingen stijgt, zullen veel mensen baat hebben bij implantaten die beter in hun lichaam integreren.

De gerimpelde coatings zouden kunnen helpen bij het maken van een succesvol implantaat, maar alleen als de grootte van de groeven in de coatings nauwkeurig kan worden gecontroleerd, aldus de nieuwe studie. Wanneer de groeven in de coating ongeveer 2 micrometer breed zijn, beginnen menselijke cellen zich uit te rekken en vormen ze vingerachtige aanhangsels die zich aan de groeven hechten, die meer dan 10 keer kleiner zijn dan de botcellen.

Jouha Min, een assistent-professor in de chemische technologie, kijkt toe hoe Mohammad, een promovendus in Jouha's laboratorium, reagentia mengt om de keramische coating te maken. Krediet:Jacob Robins, Min-lab, Universiteit van Michigan.

Terwijl de cellen zich een weg banen in hun omgeving, zetten ze ook genetische schakelaars aan die de ontwikkeling stimuleren tot volwassen botcellen of immuuncellen die ontstekingen verminderen. Wanneer de breedte van de groeven in de coating kleiner is dan één micrometer, rekken de cellen niet uit. Als gevolg hiervan ontwikkelen botcellen zich langzamer en worden immuuncellen geactiveerd om vreemde lichamen te bestrijden en ontstekingen te veroorzaken.

"Door van de nano- naar de microschaal te gaan, kunnen we de weefselcellen sturen ten gunste van een succesvol implantaat", zegt Mohammad Asadi Tokmedash, een doctoraalstudent chemische technologie en de eerste auteur van het onderzoek.

Dankzij de nieuwe coatingproductiemethode van de onderzoekers kunnen ze de grootte van de groeven controleren. Eerst brengen ze het keramische materiaal laag voor laag aan op een polystyreenplaat.

Zodra het keramiek voldoende dik is, verwarmen de onderzoekers de polystyreenplaat, waardoor deze krimpt. Het bevestigde keramiek krimpt mee met het polystyreen, maar scheurt en vervormt ook omdat het minder flexibel is dan het polystyreen. De resulterende scheuren en bochten worden de groeven waar de cellen aan vastklikken, en de grootte van de groeven wordt bepaald door de dikte van de keramische lagen die bovenop de polystyreenplaat worden aangebracht voordat deze wordt verwarmd.

Er is één nadeel aan het weglaten van kleinere groeven op nanoschaal in de coating:ze zijn beter in het voorkomen dat pathogene bacteriën zich eraan hechten door een ruw, stekelig oppervlak te creëren dat de celmembranen van bacteriën beschadigt. Grotere groeven op microschaal kunnen ideaal zijn voor menselijke cellen om zich aan vast te hechten, maar ze bieden ook veel ruimte voor bacteriën om zich in de coatings te verstoppen en erop te groeien.

Omdat infectie een andere belangrijke oorzaak is van het falen van implantaten, werkt het team momenteel aan een methode waarmee hun coatings bacteriën kunnen doden en tegelijkertijd veilige handvatten bieden waar menselijke cellen zich aan kunnen hechten. Toekomstige experimenten zullen hun idee testen. De coatings zijn bestudeerd door het Michigan Center for Materials Characterization.

Meer informatie: Mohammad Asadi Tokmedash et al, ontwerper micro-/nanocrumpled MXene meerlaagse coatings versnellen de osteogenese en reguleren de polarisatie van macrofagen, ACS toegepaste materialen en interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c18158
Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS

Aangeboden door University of Michigan College of Engineering

Wetenschappers onthullen het werkingsmechanisme van een meerlaagse MoS₂-fotodetector met een breed spectraal bereik en multibandrespons

Nanovezels ontdoen water van gevaarlijke kleurstoffen:Onderzoekers ontwikkelen efficiënte filters op basis van celluloseafval

Hoofdlijnen

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Wetenschap © https://nl.scienceaq.com