Ny belægning til hofteimplantater kan forhindre for tidlig svigt

Hvert år, mere end en million amerikanere modtager en kunstig hofte- eller knæprotese. Sådanne implantater er designet til at holde i mange år, men hos omkring 17 procent af patienterne, der modtager en total ledudskiftning, implantatet løsner sig til sidst og skal udskiftes tidligt, som kan forårsage farlige komplikationer for ældre patienter.

For at hjælpe med at minimere disse byrdefulde operationer, et team af MIT-kemiingeniører har udviklet en ny belægning til implantater, der kan hjælpe dem med at klæbe bedre til patientens knogle, forebygge for tidlig svigt.

"Dette ville gøre det muligt for implantatet at holde meget længere, til sin naturlige levetid, med lavere risiko for svigt eller infektion, siger Paula Hammond, David H. Koch professor i ingeniørvidenskab ved MIT og seniorforfatter til et papir om arbejdet, der vises i tidsskriftet Avancerede materialer .

Belægningen, som får kroppens egne celler til at producere knogle, der fikserer implantatet på plads, kan også bruges til at hjælpe med at helbrede frakturer og til at forbedre tandimplantater, ifølge Hammond og hovedforfatter Nisarg Shah, en kandidatstuderende i Hammonds laboratorium.

Et alternativ til knoglecement

Kunstige hofter består af en metalkugle på en stilk, forbinder bækken og lårben. Bolden roterer i en plastikkop, der er fastgjort til indersiden af ​​hofteskålen. Tilsvarende kunstige knæ består af plader og en stilk, der muliggør bevægelse af lårbenet og skinnebenet. For at sikre implantatet, kirurger bruger knoglecement, en polymer, der ligner glas, når den er hærdet. I nogle tilfælde, denne cement ender med at revne, og implantatet løsnes fra knoglen, forårsager kroniske smerter og tab af mobilitet for patienten.

"Typisk, i et sådant tilfælde, implantatet fjernes og udskiftes, som forårsager et enormt sekundært vævstab hos patienten, som ikke ville være sket, hvis implantatet ikke havde svigtet, " siger Shah. "Vores idé er at forhindre svigt ved at belægge disse implantater med materialer, der kan inducere naturlig knogle, der genereres i kroppen. Den knogle vokser ind i implantatet og hjælper med at fikse den på plads."

Den nye belægning består af en meget tynd film, spænder fra 100 nanometer til en mikron, sammensat af lag af materialer, der hjælper med at fremme hurtig knoglevækst. Et af materialerne, hydroxyapatit, er en naturlig del af knogler, lavet af calcium og fosfat. Dette materiale tiltrækker mesenkymale stamceller fra knoglemarven og giver en grænseflade til dannelsen af ​​ny knogle. Det andet lag frigiver en vækstfaktor, der stimulerer mesenkymale stamceller til at omdanne sig til knogleproducerende celler kaldet osteoblaster.

Når osteoblasterne dannes, de begynder at producere ny knogle for at udfylde rummene omkring implantatet, fastgøre den til den eksisterende knogle og eliminere behovet for knoglecement. At have sundt væv i det rum skaber et stærkere bånd og reducerer i høj grad risikoen for bakteriel infektion omkring implantatet.

"Når der bruges knoglecement, der skabes dødrum mellem den eksisterende knogle og implantatstammen, hvor der ikke er blodkar. Hvis bakterier koloniserer dette rum, ville de blive ved med at formere sig, da immunsystemet ikke er i stand til at nå og ødelægge dem. En sådan belægning ville være nyttig til at forhindre, at det opstår, " siger Shah.

Det tager mindst to eller tre uger for knoglen at fylde ud og stabilisere implantatet fuldstændigt, men en patient ville stadig være i stand til at gå og lave fysioterapi i denne tid, ifølge forskerne.

Justerbar kontrol

Der har tidligere været bestræbelser på at belægge ortopædiske implantater med hydroxyapatit, men filmene ender med at blive ret tykke og ustabile, og har tendens til at bryde væk fra implantatet, siger Shah. Andre forskere har eksperimenteret med at injicere vækstfaktoren eller afsætte den direkte på implantatet, men det meste ender med at dræne væk fra implantatstedet, efterlader for lidt til at have nogen effekt.

MIT-teamet kan kontrollere tykkelsen af ​​sin film og mængden af ​​frigivet vækstfaktor ved at bruge en metode kaldet lag-for-lag-samling, hvor de ønskede komponenter lægges ned et lag ad gangen, indtil den ønskede tykkelse og lægemiddelsammensætning er opnået.

"Dette er en væsentlig fordel, fordi andre systemer hidtil virkelig ikke har været i stand til at kontrollere mængden af ​​vækstfaktor, du har brug for. Mange enheder skal typisk bruge mængder, der kan være størrelsesordener mere, end du har brug for, som kan føre til uønskede bivirkninger, " siger Shah.

Forskerne udfører nu dyreforsøg, der har vist lovende resultater:Belægningerne fører til hurtig knogledannelse, låse implantaterne på plads.

Denne belægning kan ikke kun bruges til ledudskiftninger, men også til fikseringsplader og skruer, der bruges til at sætte knoglebrud. "Det er meget alsidigt. Du kan påføre det på enhver geometri og have ensartet belægning hele vejen rundt, " siger Shah.

En anden mulig anvendelse er i tandimplantater. Konventionelt, implantering af en kunstig tand er en to-trins proces. Først, en gevindskrue er indlejret i kæben; denne skrue skal stabiliseres ved at integreres med det omgivende knoglevæv i flere måneder, før patienten vender tilbage til klinikken for at få den nye krone fastgjort til skruen. Dette kan reduceres til en et-trins proces, hvor patienten modtager hele implantatet ved hjælp af en version af disse belægninger.

Denne forskning blev finansieret af National Institutes of Health's National Institute on Aging og udført på David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research med støtte fra Institute for Soldier Nanotechnologies ved MIT.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.