Wetenschappers van de Universiteit van New South Wales hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van 3D-geprinte steigers die de mechanische eigenschappen van natuurlijk bot nauw nabootsen. Met deze doorbraak wordt een al lang bestaande uitdaging in de geneeskunde aangepakt: het creëren van kunstmatige botvervangingen die net zo goed presteren als, of beter dan, bestaande metalen implantaten of bottransplantaten. De nieuwe steigers vertonen superieure sterkte, porositeit en vloeistofdynamica, waardoor functionele botregeneratie dichter bij de realiteit komt.
Het probleem met de huidige botvervangingen
Traditionele methoden voor het repareren van beschadigde botten zijn vaak afhankelijk van metalen implantaten of bottransplantaten. Metalen implantaten zijn weliswaar sterk, maar kunnen te stijf zijn en omliggende weefsels belasten. Bottransplantaten, geoogst uit andere delen van het lichaam van de patiënt of van donoren, zijn beperkt verkrijgbaar en brengen het risico van afstoting of infectie met zich mee. 3D-printen biedt een manier om deze beperkingen te omzeilen, maar het repliceren van de complexe structuur van bot is moeilijk gebleken.
Natuurlijk bot is zowel licht als sterk, met een poreuze structuur die celgroei en vloeistofstroom ondersteunt. Vroege pogingen tot 3D-geprinte steigers slaagden er vaak niet in om deze kwaliteiten in evenwicht te brengen, omdat ze bezweek onder druk of de noodzakelijke porositeit voor weefselintegratie ontbraken.
Het ontwerp van de natuur nabootsen
Onderzoekers hebben deze hindernis overwonnen door de natuurlijke botarchitectuur te bestuderen. Echt bot is niet uniform; het gaat geleidelijk over van dichte, dragende gebieden naar lichtere, sponsachtige gebieden. Het team repliceerde deze gegradeerde structuur met behulp van polymelkzuur (PLA), een biocompatibel en biologisch afbreekbaar plastic.
“We gebruikten een ontwerpaanpak geïnspireerd op natuurlijk bot. In bot verandert de structuur geleidelijk van dichte gebieden naar meer open gebieden. We hebben dit idee opnieuw gecreëerd door steigers te printen met gegradueerde structuren in verschillende richtingen.” – Dr. Juan Pablo Escobedo-Diaz
De resulterende steigers, met een porositeit van ongeveer 55%, vertoonden opmerkelijke prestaties bij mechanische tests. Ze waren 60% sterker en 16% stijver bij plotselinge schokken vergeleken met langzame, constante druk, waardoor ze potentieel ideaal zijn voor dragende implantaten. De richting van de gegradueerde structuur beïnvloedde ook breukpatronen, waardoor ontwerpers een andere manier kregen om materiaaleigenschappen te verfijnen.
Vloeistofstroom en toekomstige implicaties
Belangrijk is dat de vloeistoffen door de steigers stroomden op een manier die sterk op natuurlijk bot leek, wat van cruciaal belang is voor de aanvoer van voedingsstoffen en de verwijdering van afval tijdens de genezing. Hoewel deze steigers nog niet het zelfherstellende of adaptieve vermogen van levend bot bezitten, vertegenwoordigen ze een grote stap voorwaarts.
Onderzoekers verwachten binnen vijf tot tien jaar klinisch gebruik, in afwachting van verdere tests en goedkeuringen door de regelgevende instanties. In eerste instantie zouden ze kunnen worden gebruikt in onderzoek en patiëntspecifieke modellering, wat uiteindelijk zou kunnen leiden tot vervanging van grote botdefecten in gebieden zoals het dijbeen. Het team richt zich nu op biomimetische ontwerpen die natuurlijke botstructuren beter nabootsen, inclusief complexe patronen en gradaties.
Dit onderzoek benadrukt het potentieel van 3D-printen om een revolutie teweeg te brengen in de botregeneratie en een toekomst te bieden waarin kunstmatige implantaten de natuurlijke genezingsprocessen van het lichaam niet alleen kunnen ondersteunen, maar ook kunnen integreren.
