Forskere udvikler hybrid meta-biomateriale, der kan forlænge levetiden af ​​hofteimplantater

Et hybrid meta-biomateriale, der fremmer knoglevækst, er ikke noget, du finder i naturen, men det kan oprettes ved hjælp af en 3-D printer og eksisterende biomaterialer. TU Delft-forskere har udviklet et meta-implantat, der kombinerer et konventionelt meta-biomateriale med et auxetisk meta-biomateriale. I modsætning til naturlige materialer, auxetics har et negativt Poisson's-forhold - når det strækkes, de bliver tykkere vinkelret på den påførte kraft. Materialet kan derfor bruges i hofteimplantater for at sikre deres langtidsfiksering. TU Delft-forskerne offentliggjorde deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Materialer Horisonter den 2. januar 2018.

Omkring år 2020, antallet af hofteproteser rundt om i verden forventes at stige til 2,5 millioner om året. Ved at bruge den nuværende teknologi, omkring 10 procent af disse implantater vil ikke længere være fast fikseret 10 år efter operationen. Dette inspirerede TU Delft-professor Amir Zadpoor ​​til at finde et middel til at forhindre, at implantatet løsner sig. Zadpoor ​​mener nu, at han har fundet en løsning ved hjælp af et auxetisk meta-biomateriale.

Meta-biomaterialer er den biomedicinske variant af såkaldte metamaterialer, materialer, der udviser egenskaber, som ikke findes i naturen. I deres udgivelse, Zadpoor ​​og hans kolleger skitserer det enorme potentiale af metamaterialer i udviklingen af ​​medicinske implantater. "Auxetisk meta-biomateriale, designet ved hjælp af enkel geometri og trykt i titanium, viser den unikke mekaniske egenskab ved at udvide sig, når den sættes under pres. Dette gør den ideel til brug sammen med materialer, der gør det modsatte, " forklarer Zadpoor. "Når en person med et hofteimplantat går, protesen udsættes for forskellige kræfter. Hvis der udvikles for meget tryk på den ene side af protesen, det kan løsne sig fra knoglen, hvilket er yderst uønsket."

Forskerne mener, at en hybridprotese lavet af meta-biomaterialer med et positivt Poisson-forhold og dem med et negativt Poisson-forhold vil blive meget mere fikseret i kroppen. "Dette vil markant forbedre chancerne for knoglevækst på de hybride meta-biomaterialer, holder implantatet meget mere sikkert på plads." Zadpoor ​​tror også, at han vil være i stand til at bruge dette nye materiale i fremtiden til at løse den væsentligste årsag til, at implantatet løsner sig. "Da der vil være færre unaturlige kræfter, der virker på protesen, der er en mindre chance for at plastikpartikler slides af i hofteskålen, hvilket kan øge risikoen for at løsne sig."

Zadpoors eksperiment involverede en lodret kompression på et implantat omgivet af knoglelignende materiale (specielt skum med knogles mekaniske egenskaber). Kraften simulerer den stress, der udøves på et implantat i den menneskelige krop. Som følge af dette pres, det nye implantat udvider sig, hvilket resulterer i kompression i den omgivende knogle på begge sider (den turkise farve ses på ovenstående billede). Det er netop denne kompression, der kan sikre forbedret implantatfiksering. Kliniske forsøg mangler endnu at blive udført. I de kommende år, Delft-gruppens primære forskningsspørgsmål – som skal arbejde i samarbejde med forskere fra forskellige akademiske hospitaler – handler om, hvordan netop disse egenskaber kan bruges til at udvikle bedre implantater.

"Innovation inden for hofteimplantater er hårdt tiltrængt, og professor Zadpoors nye metode har helt sikkert potentialet til at forlænge levetiden for implantater. En trinvis introduktion, der starter med 3D-målinger af dette implantat hos patienter, vil være nødvendig for at garantere sikker kvalitetsforbedring for patienter, " siger professor Rob Nelissen, Medical Delta Professor og ortopædkirurg ved Leiden University Medical Center.

Papiret, "Rationelt designede meta-implantater:en kombination af auxetiske og konventionelle meta-biomaterialer, " blev offentliggjort i Royal Society of Chemistrys peer-reviewede tidsskrift Materialer Horisonter .