Brug af nanoteknologi til at øge levetiden for medicinske implantater

(PhysOrg.com) -- UConns ingeniørforskere er ved at udvikle en ny familie af implantatmaterialer.

Hans arbejde i det rødglødende område af nanoteknologi har udløst tre NSF-finansierede forskningspriser til Leon Shaw, professor ved Institut for Kemisk, Materialer, &Biomolekylær teknik.

Af de tre, man gifter nanomaterialer sammen med biomedicinsk teknik. Sammen med Yong Wang, en adjunkt i kemi, materialer, og biomolekylær teknik, Shaw vil arbejde på at udvikle et titanium/hydroxyapatit ortopædisk implantat designet til at forbedre implantatets levetid og reducere behovet for revisionskirurgi, dermed reducere langsigtede sundhedsudgifter og patientens stress.

Over 10 millioner amerikanere bærer i øjeblikket mindst én større implanteret medicinsk enhed i deres kroppe. På grund af deres fremragende korrosionsbestandighed, overlegen styrke, og biokompatibilitet, titanium og rustfri stållegeringer er de vigtigste materialer, der bruges i de fleste medicinske implantater. På trods af deres fordele, disse legeringer har også store ulemper:i mange tilfælde, deres forventede levetid er kortere end deres bæreres, beder om yderligere erstatningsimplantatoperationer.

Ud over, titanium og stållegeringer har næppe samme stabilitet eller pasform som det originale væv, fører til afvisning af implantatet. Mens aktuelt tilgængelige implantater kan lindre smerte og give patienter mulighed for at leve aktive liv, der er ofte komplikationer ved at få knogler til at fæstne sig til metalanordningerne. Små mellemrum mellem naturlig knogle og implantatet kan udvide sig over tid, kræver yderligere operation for at erstatte implantatet. Forskere henvender sig i stigende grad til nanoteknologi til løsninger.

For at overvinde problemerne forbundet med metalliske implantater, mange forskningsorganisationer og kommercielle virksomheder har forsøgt at udvikle ortopædiske implantater, der har en bioaktiv overflade for at fremme cellulær adhæsion og knoglevækst. Der er gjort en indsats for at skabe en stabil pasform, der ligner det originale væv, dermed eliminerer behovet for yderligere kirurgi for at reparere skaden eller hullerne.

De to mest udbredte metoder involverer påføring af enten hydroxyapatit eller porøse titaniumbelægninger på implantatoverflader. Problemet er, at titanium ikke er bioaktivt, hvorimod hydroxyapatitbelægninger kan delaminere under brug. Med det i tankerne, Shaw og Wang har rettet deres projekt mod udviklingen af ​​en ny familie af funktionelt klassificerede, porøse implantatmaterialer med et hierarki af konstruerede mikrostrukturer. Denne nye familie af ortopædiske implantater vil løse problemerne ved at påføre enten hydroxyapatit eller porøse titaniumbelægninger og vil blive fremstillet ved hjælp af en ny solid freeform fremstillingsmetode udviklet i Shaws laboratorium. Denne type ortopædiske implantater er den første af sin art, der parrer en titanium-rig kerne og en hydroxyapatit-rig overflade med et kontrolleret niveau af mikro- og makroporøsitet, der aldrig tidligere er produceret.

Shaws andre NSF-bevillinger er også en samarbejdsindsats. Shaw vil arbejde sammen med Kennametal Inc., en global leder inden for hårdmetalteknologi. Dette projekt er rettet mod udvikling af innovative fremstillingsmetoder, der kan producere nye materialer med overlegne mekaniske egenskaber afledt af nanokrystallinsk pulver. Samarbejdet skal sikre, at forskningen er relevant for hårdmetalindustrien, og at resultaterne formidles til slutbrugerne.

Det tredje forskningsprojekt er i samarbejde med Mahmoud Zawrah, en forsker fra det nationale forskningscenter i Cairo, Egypten. Sammen, de ser på forarbejdning og fremstilling af nano-Si3N4- og SiC-kompositter med affaldsmaterialet silica-røg som udgangsmateriale. Hvis det lykkes, dette projekt vil føre til fremskridt i produktionen af ​​store mængder af højrent nano-kompositpulver og sintret (eller fortættet) Si ₃ N ₄ /SiC-komponenter fra silica-røg i en reproducerbar, præcis, og økonomisk mode.