En udsmykket frakke til knogleimplantater

Forskere fra det europæiske projekt Laser4Surf er i øjeblikket ved at udvikle et multi-beam optisk modul til at behandle metalliske overflader på tandimplantater for at opnå den bedste celleadhæsion og antibakterielle egenskaber. "Overfladebehandling tillader enten en større overflade i kontakt mellem implantatet og knoglen eller en bedre affinitet med hensyn til den kemiske interaktion mellem cellen og implantatet, " forklarer Marilys Blanchy, en forsknings- og udviklingschef hos Rescoll, en af ​​projektets partnere. Rescoll er et teknologicenter, specialiseret i polymervidenskab, klæbende belægning og medicinsk udstyr, baseret i Bordeaux, ved Frankrigs Atlanterhavskyst.

De materialer, der hidtil er brugt i implantat-tandplejen, er biokompatible med kroppen, men inert relateret til celleadhæsion på overfladen af ​​indretningen. På trods af de gode resultater, videnskabsmænd sigter mod at skabe en hurtigere osseointegration, dvs. forbindelsen mellem det medicinske apparat og de menneskelige celler. En teknologi, der i øjeblikket anvendes, er syreætsning – påføring af kemiske midler for at gøre overfladen ru og skabe en mere funktionel tekstur og en ny topografi. "Sådanne kemiske behandlinger er ikke biokompatible, og skal derfor fjernes før implantationen, " forklarer Marilys Blanchy. En anden metode, der bruges i øjeblikket, er sandblæsning, hvor hårde partikler affyres på overfladen af ​​implantatet for at øge dets ruhed. Men her, også, eksperter har rejst kritiske spørgsmål, da sandblæsning kan forurene implantatets overflade.

Geometri i nanostørrelse

Begge disse nuværende praksisser virker på mikronskalaen, hvilket er en milliontedel af en meter, der henviser til, at den nye laserbaserede teknik vil behandle overfladen på nanoskalaen, hvilket er en milliardtedel af en meter. De ultrakorte pulserende laserstråler kan skabe regelmæssige mønstre på overfladen, kaldet laser-inducerede periodiske overfladestrukturer (LIPSS), hvilket betyder, at forskerne nu kan tilpasse en meget præcis geometri til overfladen og derfor endda kontrollere implantatets overfladetopografi på nanoskala.

Celler har evnen til at fornemme disse nanostrukturer. Når implantatet indsættes, cellerne kommer i kontakt med dens strukturerede overflade og er i stand til at formere sig og spredes langs mønstrene. "Hvis implantatet har en glat, poleret overflade, cellerne vil ikke hæfte godt. På den anden side, cellerne tilpasser sig ikke en spids overflade med hårde kanter, enten, " siger Blanchy.

Løsningen er at opsætte den rigtige topografi for at øge implantatets overfladekontakt og give cellerne mere plads til at bevæge sig rundt. Denne teknologi er også meget ren, da det ikke ændrer materialets kemiske struktur. Ændringerne er kun mekaniske og vedrører topografi og ruhed. "I stedet for at have et hårdt, flad overflade, vi får en overflade bestående af toppe og dale, " siger Marilys Blanchy.

Knoglecellerne er naturligt vant til en porøs arkitektur, ligner en knogles mikrostruktur, så videnskabsmænd har længe forsøgt at efterligne naturlige arkitektoniske træk på implantatets overflade for at stimulere celleadhæsion.

"Hvordan kan vi narre knogledannende celler? En måde er at bruge sådan laserbehandling, bevare implantatets sammensætning, mens der dannes nogle porer på overfladen, hvis dimensioner kunne indstilles, " siger professor Izabela Stancu, en forsker i biomaterialer, biofunktionalisering og bio-inspirerede stilladser. Hun gør opmærksom på typen af ​​ruhed, der opnås efter laserbehandlingerne, som cellerne specifikt kan reagere på. Sommetider, forskelle på 10 mikron eller 50 nanometer kan være statistisk signifikante i den cellulære respons.

"Fordelen ved sådanne laserbehandlinger er deres fleksibilitet til at generere en personlig arkitektur, forbedring af kontaktfladen mellem levende væv og syntetiske implantater. Når vi taler om overfladeteknik af implanterbare produkter, om de bruger blødt eller hårdt væv, forskere tænker på de naturlige egenskaber, der skal efterlignes ved grænsefladen mellem væv og biomateriale for at udløse celleadhæsion. Dermed, celler kan genkende implantatets overflade som værende lig det naturlige mikromiljø, de er bekendt med, " forklarer prof. Stancu.

Læger, der arbejder med implantater i dag, rapporterer også fejl i den langsigtede vedligeholdelse af peri-implantatets (omkring implantatet) sundhed. "I betragtning af at mere end 97 procent af implantaterne integreres, vores indsats bør være fokuseret på at forebygge peri-implantatsygdomme, som kan føre til progressivt tab af osseontegration, fører til knogleødelæggelse, " siger Dr. Ignacio Sanz Sánchez, uddannelsesprogram mentor hos European Association for Osseointegration, og professor ved Odontologisk Fakultet, Complutense University of Madrid, Spanien. Da osseointegration er forudsigelig, tilføjer han, "videnskaben gør fremskridt inden for biologiske implantatoverflader, forsøger at fremskynde helingsprocessen og have antibakterielle egenskaber for at forhindre peri-implantatsygdomme."

Alligevel, der er stadig udfordringer, før teknologien kan levere maksimale fordele. Udover den tilstrækkelige ruhed, titaniumimplantatet har også brug for den rette hydrofilicitet, hvilket er dens evne til at absorbere eller adsorbere vand. Cellerne er meget hydrofile, så en hydrofil overflade hjælper cellen med at klæbe til implantatets overflade. "Stærk ruhed kan inducere en vis hydrofobicitet (egenskaben ved at afvise vand). Så vi er nødt til at finde et kompromis mellem ruhed og hydrofilicitet. Vi arbejder på dette i dag og håber at overvinde det, " siger Marilys Blanchy.

Forskning i behandlingen er stadig i gang, og det næste trin vil være at navigere den snoede reguleringssti. Eksperimenter udføres for at verificere, om der er potentielle kemiske problemer, der kan hindre biokompatibilitet. Vivo-tests i laboratoriet vil blive udført for at bevise funktionaliteten på forskellige laserinducerede mønstre. "Der er to hovedfordele ved at bruge laseren til at behandle implantatet:For det første, vi ved, at materialet er biokompatibelt med kroppen, og for det andet, det vil bedre være i overensstemmelse med de relaterede medicinske regler. Hvis kemien på overfladen af ​​implantatet ikke er blevet ændret, selve materialet vil ikke have ændret sig, så produktet er sikkert, " tilføjer Blanchy.