Laser-geprinte botimplantaten kunnen botgenezing transformeren

Een team ingenieurs van ETH Zürich heeft een efficiëntere en praktischere manier onthuld om botimplantaten te maken. Hun aanpak gebruikt nieuwe materialen en laserprinten om een snellere herstel met minder risico mogelijk te maken. Dit is wat u moet weten.

Waarom Botbreuken Toenemen

U heeft waarschijnlijk, op zijn minst, iemand gekend die in zijn leven een bot heeft gebroken. Hoewel deze ervaringen kunnen variëren van kinderongelukken tot groot trauma, vereisen ze allemaal medische aandacht om ervoor te zorgen dat het bot goed geneest.

Helaas is het aantal mensen dat botbreuken oploopt wereldwijd gestaag toegenomen. Deze toename weerspiegelt de vergrijzende babyboomgeneratie. Rapporten van de International Osteoporosis Foundation (IOF) tonen aan dat alleen al vorig jaar meer dan 37 miljoen fragiele fracturen werden geregistreerd onder ouderen, en deze trend zal naar verwachting doorzetten naarmate de bevolking vergrijst.

Hoe Botten Van Nature Genezen

Het menselijk lichaam is ongelooflijk en kan fracturen en lichte breuken zelf genezen. Als onderdeel van dit vermogen zal het eerst een verscheidenheid aan zachte weefselcellen naar het beschadigde gebied sturen. Deze tijdelijke cellen fungeren als steigers, waardoor de nieuwe botgroei vorm kan krijgen en uiteindelijk kan verharden.

Een deel van dit succes is te danken aan de unieke mix van microscopische doorgangen en ruimtes die door uw bot lopen. Indrukwekkend genoeg tonen rapporten aan dat een klein botfragment kleiner dan een kwart meer dan 54 kilometer aan microscopische tunnels kan bevatten.

Wanneer Botbreuken Chirurgische Interventie Vereisen

Er zijn scenario’s waarin de breuk zo ernstig is dat het menselijk lichaam het letsel niet kan genezen zonder extra hulp van zorgprofessionals. Specifiek vereisen ernstige open fracturen een setting die op zijn plaats wordt gehouden via metalen pinnen en implantaten.

Ook kan het verwijderen van tumoren een deel van het bot doen ontbreken. Artsen moeten dit ontbrekende botsegment opvullen om het bot goed te zetten. In sommige gevallen wordt een implantaat gemaakt met bot van de patiënt zelf.

Autografen

Autografen zijn de meest populaire manier waarop zorgprofessionals met deze situatie omgaan. Autografen kunnen in vele vormen voorkomen, waarbij de meest populaire gebruikmaakt van bot van de patiënt, keramische of metalen opties.

Problemen met Autografen

Autografen kunnen het genezingsproces verbeteren, maar ze zijn niet zonder hun eigen problemen. Ten eerste vereist het proces een extra operatie om het botweefsel veilig te stellen dat zal worden gebruikt om het implantaat te maken. Deze stap voegt kosten en risico’s toe aan het scenario, naast vertragingen en de behoefte aan extra professionals.

Doorbraak van ETH Zürich in Laser-geprinte Botimplantaten

Het wetenschappelijke artikel “A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹ gepubliceerd in Advanced Materials belicht een volledig nieuwe aanpak die het potentieel heeft om de gezondheidszorg te revolutioneren.

2PP-microfabricage

Om hun taak van het creëren van betere en stabielere implantaten te volbrengen, keek het team naar een methode die bekend staat als Two-photon polymerization (2PP). Oorspronkelijk ontwikkeld als een directe laser-schrijftechniek gebruikt in weefselengineering en medicijnontwikkeling, is het afhankelijk van femtoseconde laserpulsen.

Deze kleine hoogintensiteitslasers worden gebruikt om speciale lichtgevoelige materialen te harden. Het voordeel van deze aanpak is dat het ingenieurs in staat stelt om hoogresolutie 3D-architecturen te ontwikkelen met een (sub)-micron-schaal resolutie. Het is deze laatste mogelijkheid die de aandacht trok van Professor Biomaterialen Engineering aan ETH Zürich, Xiao-Hua Qin, en zijn team.

Nieuwe Hydrogel Was Nodig

Het nabootsen van de extracellular matrix (ECM) van een mens is geen gemakkelijke taak, omdat het een ongeëvenaard niveau van complexiteit vereist dat traditionele 2PP-strategieën misten. Zij merkten op dat het gebruik van een dual-photon laser toelaat de fotochemische reactie precies op een enkel gebied te focussen, wat veel meer controle biedt versus eencilserbenaderingen in het verleden.

Echter, de gel was niet stijf genoeg om vorm aan te nemen of reactief genoeg om op zijn plaats te blijven. Om deze problemen aan te pakken, richtte het team zijn focus op het creëren van een nieuwe hydrogel.

Opmerkelijk is dat de huidige vorm van 2PP-fabricage hydrogel gebruikt die (meth)acrylated eiwitten bevat. Commerciële wateroplosbare thiol crosslinkers, zoals dithiothreitol, worden vaak gebruikt. Deze eiwitten missen de sterke cross-linking mechanismen die nodig zijn om botgroei te ondersteunen.

Bron – ETH Zurich

Dit materiaal kan het niveau van complexiteit dat nodig is voor menselijk bot niet ondersteunen, en toen ze dit materiaal probeerden te gebruiken, registreerden ze een hoog aantal structurele defecten. Traditioneel zou het toevoegen van meer polymerconcentraties de optie zijn, maar het team besloot tegen deze stap.

PVA Thiol Crosslinker (PVASH)

De ingenieurs besloten dat het het beste was om een volledig nieuwe hydrogel te ontwikkelen om hun doelen te bereiken. De wateroplosbare, polyvinylalcohol macromoleculaire thiol crosslinker (PVASH) hydrogel gebruikt gespecialiseerde moleculen om stabiel en niet-invasief te blijven.

Specifiek mengde het team PVASH met norbornene-gefunctionaliseerde PVA (nPVA) als het eerste deel van de procedure. De volgende stap was het toevoegen van foto-initiators om ervoor te zorgen dat het laserproces correct werkte.

De belangrijkste verandering in deze aanpak is dat het meerdere reactieve groepen introduceert. Deze strategie zorgt ervoor dat de gel sneller en grondiger hardt wanneer de laserstraling hem raakt. Het stelde de ontwikkelaars ook in staat om het ene molecuul te gebruiken voor het verbinden van de polymerketen en het andere om de lichtreactie te verzekeren.

Laser-geprint

Het gebruik van laserprinten is een groot voordeel dat ingenieurs in staat stelt om natuurlijke botstructuren te bereiken die vaak details hebben die slechts 500 nanometer breed zijn. Specifiek integreerde het team een 20 mW laser voor de taak.

Deze microscopische mogelijkheid zorgt ervoor dat de botstructuren natuurlijke holtes en paden hebben. Ook kunnen deze ontwerpen worden voorgeprogrammeerd en geleverd worden met een indrukwekkende snelheid van 400 millimeter per seconde. Dit tempo vertegenwoordigt een nieuw wereldrecord, terwijl het ook het belang van deze vooruitgang aantoont in termen van het versnellen van patiëntherstel.

Micro-steigers

Het materiaal lijkt in staat de complexiteit van menselijk bot zo goed na te bootsen dat cellen zonder vertraging het traditionele genezingsproces beginnen. Opmerkelijk is dat de kilometers aan microscopische tunnels en doorgangen de perfecte hoeveelheid adhesie bieden om gezonde celgroei aan te trekken en te ondersteunen.

Laboratoriumtesten van Laser-geprinte Botsteigers

De wetenschappers voerden verschillende labtests uit om te zien of hun theorie stand kon houden onder real-world omstandigheden. Opmerkelijk was dat de ingenieurs verheugd waren om te zien dat de reageerbuisstudies snelle celgroei vertoonden.

Specifiek werd de hydrogel in de aangepaste vorm geprint, en binnen dagen begon het lichaam collageen aan te maken, wat een van de belangrijkste stappen in botgroei is. De ingenieurs registreerden ook hoe het polymeer in het lichaam uiteenviel, en merkten op dat het volledig onschadelijk is.

Vervolgens besteedden ze enige tijd aan het evalueren van hun hydrogel en de thiol-ene crosslinking moleculen. Zij merkten op dat hun prestaties de verwachtingen overtroffen, waardoor een sterke en natuurlijke reparatie van het beschadigde weefsel ontstond in een kortere tijd dan andere methoden.

Testresultaten van Laser-geprinte Botimplantaten

De testresultaten benadrukken hoe belangrijk dit werk is voor de gezondheidszorgsector. De wetenschappers waren in staat een enorme verbetering te registreren in elk aspect van het proces. Van het vormen van het implantaat, tot het binnengaan van cellen, en uiteindelijk het biologisch afbreken van de steigers, het werk van de onderzoekers bleek accuraat, waardoor genezen botcellen ontstonden die precies zijn zoals die op natuurlijke wijze worden gecreëerd.

Voordelen van Laser-geprinte Botimplantaten

Er zijn veel voordelen die deze nieuwe hydrogel met zich meebrengt. Ten eerste biedt het meer flexibiliteit in termen van structuur en plaatsing. Traditionele hydrogels hebben geen vormbaarheid. De toevoeging van extra linkende moleculen creëert veel meer stabiliteit, waardoor directe vormgeving op basis van de persoonlijke behoeften van het individu mogelijk is.

Swipe om te scrollen →

Getrouwheid

Een ander groot voordeel dat niet over het hoofd kan worden gezien, is de toegevoegde getrouwheid die deze aanpak biedt. De nieuwe PVASH-gebaseerde hydrogels bieden ingenieurs meer opties in termen van ontwerp en de algehele complexiteit van de structuur op microscopisch niveau.

Betere Patiëntrespons

Hoewel de wetenschappers alleen laboratoriumproeven hebben uitgevoerd, merkten ze op dat het genezingsproces met de nieuwe strategie veel minder zwelling vertoonde. De verminderde zwelling komt omdat de hydrogel biocompatibel is, wat gemakkelijker is voor de cellen van uw lichaam om te accepteren versus metalen of keramische opties.

Real-World Toepassingen & Tijdlijn:

De real-world toepassing voor deze ontdekking kan zich uitstrekken over meerdere industrieën. Ten eerste is het voor de hand liggende gebruik in de gezondheidszorgindustrie, waar het kan helpen om de kosten en hersteltijd van gebroken botten voor patiënten te verminderen.

Protheses

Deze technologie zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt om realistischer protheses te creëren die eruitzien en aanvoelen als echte lichaamsdelen in plaats van vervangingen. De technologie zou de basis kunnen leggen en celgroei in staat stellen de rest te doen in een ideaal scenario.

Robotica

De robotica-markt zou ook van deze technologie gebruik kunnen maken om sterkere biomechanische ontwerpen te creëren. Deze eenheden zouden een combinatie van levende cellen en structuur naast mechanische apparaten kunnen benutten om in de toekomst efficiëntere en capabelere machines te creëren.

Tijdlijn

Het zou minstens tien jaar kunnen duren voordat deze technologie volwassen genoeg is voor menselijk gebruik. Het onderzoek bevindt zich nog in een vroeg stadium en ondanks veel succes tot nu toe, zijn er nog veel wetenschappelijke en regelgevende hordes die overwonnen moeten worden voordat deze technologie mainstream wordt.

Onderzoekers van Laser-geprinte Botimplantaten

Onderzoekers van ETH Zürich leidden de Laser-printed Bone Grafts studie. Het artikel noemt Xiao-Hua Qin en Ralph Müller als de hoofdauteurs. Zij ontvingen steun van Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang en Philipp Fisch.

Toekomst

De toekomst van laser-geprinte botimplantaten moet nog worden bepaald. De technologie is logisch en heeft veel belofte getoond. Er moet echter nog zoveel meer getest worden, inclusief humane trials.

De volgende stap zal zijn om over te gaan op dierproeven. De wetenschappers hebben al een strategisch partnerschap aangekondigd met het AO Research Institute Davos om deze volgende ontwikkelingsfase te vergemakkelijken. Afhankelijk van de resultaten van deze test, zal het onderzoek verder gaan naar menselijke patiënten.

Investeren in HealthTech-innovatie

Er zijn verschillende bedrijven die innovatie in de HealthTech-sector blijven aanjagen. Deze bedrijven hebben een bereidheid getoond om buiten de gebaande paden te kijken voor oplossingen voor dit kritieke probleem. Hier is één bedrijf dat een pionier in de markt blijft en het waard is om te kennen.

Xtant Medical Holdings</h2