Nieuw materiaal kan beentransplantaties voor kankerpatiënten bevorderen

Nieuw materiaal kan beentransplantaties voor kankerpatiënten bevorderen

Anonim

door Texas A&M University

Een nieuw synthetisch materiaal dat sterk genoeg is om gaten in het bot te vullen en tegelijkertijd de groei van nieuwe botten stimuleert, kan de entbehandelingen bevorderen die nodig zijn voor mensen die lijden aan botkanker en andere botdefecten, zegt een biomedisch ingenieur aan de Texas A&M University die de technologie ontwikkelt.

Het materiaal dient als een biologisch afbreekbare steiger die chirurgisch in het lichaam kan worden geïmplanteerd om genezing te bevorderen door botregeneratie op cellulair niveau te activeren, zegt Akhilesh Gaharwar, universitair docent biomedische technologie aan Texas A&M. Zijn onderzoek is gedetailleerd in het wetenschappelijke tijdschrift Acta Biomaterialia .

Met meer dan twee miljoen bottransplantaties die elk jaar wereldwijd plaatsvinden, is bot het op één na meest getransplanteerde orgaan, na bloed, merkt Gaharwar op, maar bestaande procedures kunnen worden beperkt door de hoeveelheid levensvatbaar bot dat een patiënt kan overgeven. Sommige synthetische vervangingen zijn beschikbaar, voegt hij eraan toe, maar ze kunnen bijwerkingen veroorzaken, worden door het lichaam ronduit afgewezen of broos worden en breken onder de belastingen die ze ervaren. Bovendien kunnen ze moeilijk te snijden en vorm te geven om te passen bij een botdefect, met name in gevallen waar stukjes bot worden verwijderd om de extractie van een bottumor te vergemakkelijken, zegt hij.

Om deze obstakels te overwinnen, creëerde Gaharwar een biomateriaal dat sterk maar flexibel is - denk aan bandenrubber - en dat het vermogen heeft om het genezingsproces te stimuleren door in wezen pre-osteoblastcellen (die cellen in het lichaam die verantwoordelijk zijn voor het vormen van bot) te beginnen het regeneratieproces.

Voor Gaharwar is het werk een uitbreiding van zijn eerdere onderzoek naar de ontwikkeling van een injecteerbaar materiaal gericht op het induceren van botvorming voor moeilijk te genezen botbreuken. Dit nieuwe materiaal is echter aanzienlijk harder en kan een grotere belasting absorberen, zegt hij, waarbij hij opmerkt dat het bedoeld is voor chirurgische implantatie in plaats van injectie.

Het materiaal van Gaharwar is gemaakt van het insluiten van ongelooflijk kleine deeltjes van mineralen genaamd nanosilicaten in een stof die bekend staat als polyglycerolsebacaat (PGS). Omdat PGS componenten bevat die al in het lichaam aanwezig zijn, wordt het zelden afgewezen en veroorzaakt het geen bijwerkingen wanneer het degradeert, merkt Gaharwar op. Die eigenschappen, zegt hij, maken PGS tot een veelgebruikt materiaal voor een aantal biomedische toepassingen, maar voor bottechniek moest PGS sterker en interactiever zijn - in termen van "praten" met botcellen om botvorming te initiëren.

Dat is waar de kleine deeltjes een groot verschil maken.

Zo klein dat ze eigenlijk tweedimensionale materialen worden genoemd, deze ultradunne nanosilicaten hebben een groot oppervlak maar een dikte van enkele nanometers of minder. Denk aan een vel papier, maar op een veel kleinere schaal. Een vel papier is bijvoorbeeld 100.000 nanometer dik; De nanosilicaten van Gaharwar zijn één nanometer dik en bevatten orthosilicic acid, magnesium en lithium - mineralen die botvorming veroorzaken.

Door deze nanosilicaten in PGS in te bedden, kon Gaharwar de mechanische stijfheid van het materiaal vier keer verbeteren zonder de elasticiteit ervan te beïnvloeden. Dit geeft het materiaal de kracht om kracht te behouden terwijl het niet breekt, legt hij uit. Bovendien signaleren de nanosilicaten, eenmaal op hun plaats, botcellen om de productie van botweefsel te verhogen. Vroege tests hebben een toename van 300 procent in alkalische fosfatase-activiteit aangetoond, een marker voor vroege botvorming en een zesvoudige toename in de aanwezigheid van calciumfosfaat, een hoofdcomponent van bot, merkt Gaharwar op. Dit wordt bereikt, zegt hij, zonder het gebruik van eiwitten die bekend staan ​​als groeifactoren, die worden gebruikt in conventionele bottherapiebehandelingen, maar die kunnen leiden tot ernstige bijwerkingen vanwege de grote hoeveelheden die nodig zijn om cellen te stimuleren.

Bovendien kan Gaharwar de afbraaksnelheid van zijn materiaal regelen, zodat het werkt als een echte steiger, ondersteuning biedt wanneer nodig en zichzelf door natuurlijke afbraak verwijdert in dezelfde snelheid als waarin botweefsel wordt gevormd. Andere commerciële technologie mislukt vaak wanneer het degradeert, waarbij gaten, breuken en niet-ondersteund bot achterblijven, merkt Gaharwar op.

Gezien deze eigenschappen gelooft Gaharwar dat zijn materiaal aanzienlijk kan helpen bij botregeneratie voor patiënten die lijden aan trauma, infectie, aangeboren afwijkingen en oncologische resectie.

"De toevoeging van nanosilicaten aan PGS-matrix verbetert de mechanische stijfheid aanzienlijk zonder de elastomere eigenschappen te beïnvloeden, " zegt Gaharwar. "De toename van mechanische stijfheid en in vitro stabiliteit wordt voornamelijk toegeschreven aan verbeterde interacties tussen nanosilicaten en PGS."