Spider silke nøgle til nyt knoglefiksende komposit

UConn-forskere har skabt et bionedbrydeligt komposit fremstillet af silkefibre, der kan bruges til at reparere knækkede bærende knogler uden de komplikationer, der nogle gange fremkommer af andre materialer.

Reparation af større bærende knogler som dem i benet kan være en lang og ubehagelig proces.

For at lette reparation, læger kan installere en metalplade til at understøtte knoglen, da den smelter og heler. Alligevel kan det være problematisk. Nogle metaller udvask ioner i omgivende væv, forårsager betændelse og irritation. Metaller er også meget stive. Hvis en metalplade bærer for meget belastning i benet, den nye knogle kan vokse tilbage svagere og være sårbar over for brud.

Søger en løsning på problemet, UConn professor Mei Wei, en materialeforsker og biomedicinsk ingeniør, vendte sig til edderkopper og møl for inspiration. I særdeleshed, Wei fokuserede på silkefibroin, et protein, der findes i silkefibrene spundet af edderkopper og møl, der er kendt for sin sejhed og trækstyrke.

Det medicinske samfund har været opmærksom på silkefibroin i et stykke tid. Det er en almindelig komponent i medicinske suturer og vævsteknik på grund af dets styrke og bionedbrydelighed. Alligevel havde ingen nogensinde prøvet at lave en tæt polymerkomposit ud af det, og det var det, Wei vidste, at hun havde brug for, hvis hun skulle skabe en bedre enhed til helbredelse af brudte bærende knogler.

Arbejder med UConn lektor Dianyun Zhang, en maskiningeniør, Weis laboratorium begyndte at teste silkefibroin i forskellige sammensatte former, på udkig efter den rigtige kombination og andel af forskellige materialer for at opnå optimal styrke og fleksibilitet. Den nye komposit skulle bestemt være stærk og stiv, endnu ikke så meget, at det ville hæmme tæt knoglevækst. På samme tid, kompositten skulle være fleksibel, giver patienter mulighed for at bevare deres naturlige bevægelsesområde og mobilitet, mens knoglen heler.

Efter snesevis af test, Wei og Zhang fandt det materiale, de ledte efter. Den nye sammensætning består af lange silkefibre og fibre af polymælkesyre - en bionedbrydelig termoplast afledt af majsstivelse og sukkerrør - der dyppes i en opløsning, hvor hver er belagt med fine biokeramiske partikler fremstillet af hydroxyapatit (calciumphosphatmineralet, der findes i tænderne og knogler). De belagte fibre pakkes derefter i lag på en lille stålramme og presses ind i en tæt kompositstang i en varm kompressionsform.

I en undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials , Wei rapporterer, at det højtydende bionedbrydelige komposit viste styrke- og fleksibilitetskarakteristika, der er blandt de højeste, der nogensinde er registreret for lignende bioresorberbare materialer i litteraturen.

Og de kunne blive endnu bedre.

"Vores resultater er virkelig høje med hensyn til styrke og fleksibilitet, men vi føler, at hvis vi kan få hver komponent til at gøre, hvad vi vil have dem til at gøre, vi kan komme endnu højere, "siger Wei, der også fungerer som Ingeniørhøjskolens associerede dekan for forskning og kandidatuddannelse.

Den nye komposit er også modstandsdygtig. Store benben hos voksne og seniorer kan tage mange måneder at helbrede. Kompositten udviklet i Weis laboratorium gør sit arbejde og begynder derefter at nedbrydes efter et år. Ingen operation er nødvendig for fjernelse.

Tilsluttede Wei og Zhang i forskningen var Bryant Heimbach, en ph.d. kandidat og materialeforsker i Weis laboratorium; og Beril Tonyali, a UConn undergraduate pursuing a degree in materials science and engineering.

The team has already begun testing new derivatives of the composite, including those that incorporate a single crystalline form of the hydroxyapatite for greater strength and a variation of the coating mixture to maximize its mechanical properties for bones bearing more weight.