Kunstmatige botten met behulp van nanotechnologie

Nanodeeltjes maken de productie van significant betere botimplantaten mogelijk

11/21/2011

Onderzoekers van de Universiteit van Halle hebben een hightech-proces ontwikkeld waarmee ze kunstmatige botten willen maken die beter door het lichaam worden geaccepteerd dan eerdere botimplantaten. Met behulp van nanotechnologie zouden de kunstmatige botimplantaten niet alleen in de toekomst veel duurzamer moeten zijn, maar door het organisme worden herkend als het eigen materiaal van het lichaam, rapporteren de wetenschappers. Georg Michler.

Botimplantaten worden al relatief vaak in de geneeskunde gebruikt, met ongevallen en de betrokkenheid van kankerachtige tumoren bij de hoofdoorzaken van dergelijke interventies. Aangezien oudere mensen meer vatbaar zijn voor botbreuken, heeft demografische verandering ook een impact op de behoefte aan kunstmatige botimplantaten, volgens de verklaring van de vijfkoppige onderzoeksgroep onder leiding van professor Dr. med. Georg Michler van Martin-Luther University Halle-Wittenberg. Volgens de onderzoekers is het nadeel van de eerder gebruikte botimplantaten echter dat ze slechts een beperkte houdbaarheid hebben en door het organisme als vreemde lichamen worden behandeld. Om dit te veranderen, Prof. Dr. Georg Michler en collega's over het gebruik van nanodeeltjes waarmee ze kunstmatige botimplantaten willen maken die veel langer meegaan en door het lichaam niet langer als vreemd worden herkend.

Nanotechnologie voor de productie van kunstmatige botimplantaten
Tot op heden worden kunstmatige botimplantaten gemaakt van het eigen bot van het lichaam of van natuurlijk vreemd bot, de eerste zijn slechts beperkt beschikbaar en de laatste zijn ingekapseld door het eigen weefsel van het lichaam als vreemde lichamen. De wetenschappers van de Martin Luther University zijn nu begonnen aan een geheel nieuw pad als onderdeel van hun onderzoek. „We gebruiken polymeren als dragers voor de botvervanger, omdat ze verband houden met organische stoffen en hun eigenschappen veranderen met behulp van nanodeeltjes.“, zei het hoofd van onderzoek en voorzitter van het Institute for Polymer Materials van de Universiteit van Halle, Prof. Dr. med. Michler. Dus de onderzoekers profiteerden „Nano-keramisch calciumfosfaat deeltjes“, om ze te spinnen met plastic filamenten en volledig nieuwe kunstmatige botimplantaten te maken. Voor de gelijkmatige verdeling van de kleine deeltjes in het plastic hebben de onderzoekers een speciaal proces ontwikkeld, waarvan de octrooirechten bij de Martin-Luther-universiteit Halle-Wittenberg liggen. Met behulp van de nieuwe methode kunnen de onderzoekers de plastic filamenten en de nanodeeltjes gebruiken om een ​​dunne folie te vormen waaruit vervolgens een cilindrisch botimplantaat van ongeveer acht tot tien centimeter kan worden gerold. Daarbij, de nanodeeltjes of „de keramische insluitsels stijf de draden“, die de belastbaarheid van het materiaal aanzienlijk verhoogt, verklaarde onderzoeksdirecteur Prof. Dr. med. Michler.

Botimplantaten worden herbouwd tot botstof
Naast de toegenomen stabiliteit van nanodeeltjes-afgeleide botimplantaten biedt de methode een ander groot voordeel, volgens de onderzoekers. Zo gestrest Dr. Jörg Brandt, senior arts van de kliniek en polikliniek voor orthopedie en fysische geneeskunde in Halle en tevens lid van de onderzoeksgroep: „Omdat de nanodeeltjes in het kunstbot zo extreem klein zijn, kan het lichaam het botimplantaat volledig herbouwen tot zijn eigen botstof en zo volledig integreren in de skeletstructuur.“ Het materiaal is niet langer ingekapseld als vreemde materie. Als onderdeel van hun laboratoriumonderzoek hebben de wetenschappers ontdekt dat nanodeeltjes met een dikte van tien nanometer en een lengte van 50 nanometer optimaal door het lichaam worden geabsorbeerd, terwijl „alles kleiner of groter, het lichaam transformeert niet“ kon, verklaarde Prof. Dr. med. Michler. Waarom nanodeeltjes van de genoemde grootte het best door het organisme worden geaccepteerd, moet volgens de wetenschappers ook in de context van het onderzoeksproject worden opgehelderd.

Nanodeeltjes voor botproductie een zeer hoopvolle aanpak
Ook de wetenschappers van andere universiteiten, die onderzoek verrichten op het gebied van botimplantaten, zoals de materiaalwetenschapper Dr. med. Roland Dersch van de Universiteit van Marburg, bevestigde dat de methode van Prof. Dr. med. Michler en collega's „een zeer hoopvolle aanpak“ was. Dr. Dersch en zijn team werken ook aan de mogelijkheden van nano-gebaseerd kunstmatig bot, zij het met verschillende uitgangsmaterialen. De onderzoeker van Marburg benadrukte dat „veel onderzoek naar nanovezels“ maar het is nog niet gelukt „om een ​​complex kunstmatig bot te ontwikkelen dat door het menselijk lichaam wordt geaccepteerd.“ De wetenschappers van het onderzoeksproject aan de Martin Luther-universiteit Halle-Wittenberg lijken nu echter op de goede weg. Prof. Dr. med. Michler en collega's produceren echter niet alleen de meest duurzame kunstmatige botten, maar ook de oorzaak waarom botten breken en waarom dit risico met de leeftijd toeneemt.

Onderzoek de oorzaak van botbreuken in meer detail
Dr. Volgens Jörg Brandt doen zich jaarlijks in Duitsland ongeveer 35.000 heupfracturen en femurhalsfracturen voor in Duitsland, waarbij vooral ouderen lijden aan dergelijke fracturen. Veel wetenschappers en artsen zijn hiervan overtuigd, „dat bijvoorbeeld oude mensen de dij nek breken bij vallen.“ Dr. Brandt is echter van mening dat de meeste getroffenen „hebben de bovenbeenhelft al gebroken en vallen daardoor.“ Hier zijn verdere onderzoeken nodig om naar de eigenschappen van het natuurlijke botmateriaal naar de bodem te gaan, omdat „Als we de processen in het echte botmateriaal kennen, weten we ook welke eigenschappen de botimplantaten moeten hebben“, zei Dr. Brandt. Volgens de expert hebben verschillende wetenschappelijke studies aangetoond dat botbreuken meestal worden voorafgegaan door microscopisch kraken. Op jonge leeftijd kunnen deze schijnbaar worden gecompenseerd door de zelfherstellende krachten van het menselijk lichaam. Naarmate de leeftijd stijgt, neemt de kans echter toe dat er een breuk optreedt als gevolg van de scheuren, aldus de arts.

Gebruik van nieuwe botimplantaten op zijn vroegst in acht tot tien jaar
Dr. Volgens Brandt zijn daar eerste indicaties voor, „dat we met behulp van de nanodeeltjes het kunstmatige implantaat een plastisch vervormingsvermogen kunnen geven“, wat een „verbeterde taaiheid van het plastic“ zou betekenen. In het tweejarige onderzoeksproject, dat wordt gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG / Bonn) met ongeveer 300.000 euro, zullen nu alle aspecten van de productie van kunstmatige botimplantaten met behulp van nanodeeltjes in detail worden onderzocht. Onderzoeksdirecteur Prof. Dr. med. Michler benadrukte dat momenteel de materiële onderzoeken lopen en „de individuele componenten van het kunstbot zijn al getest op compatibiliteit in dierproeven“ waren. De volgende stap zal nu klinische proeven zijn „de bruikbaarheid van het kunstmatige bot, dat inderdaad een samenstelling van de componenten is, bewijzen.“, dus de conclusie van Prof. Michler. Maar zelfs met groot succes in de komende onderzoeken, kan het regelmatige gebruik van de nieuwe implantaten op zijn vroegst worden verwacht in ongeveer acht tot tien jaar. (Fp)

Afbeelding: Rainer Sturm