Ny belægning kan hjælpe ledudskiftninger med at binde sig bedre med knogler

Knækkede knogler og ledudskiftninger kan en dag helbrede hurtigere, takket være en usædvanlig belægning til medicinske implantater under udvikling ved Ohio State University.

Forskere her har fundet ud af, at knogleceller vokser og formerer sig hurtigere på en struktureret overflade, end de gør på en glat overflade - og de vokser bedst, når de kan klamre sig til et mikroskopisk shag -tæppe lavet af små metaloxidtråde.

I test, ledningerne øgede cellevækst med næsten 80 procent i forhold til andre overflader, hvilket tyder på, at belægningen ville hjælpe sund knogle med at danne en stærk binding med et implantat hurtigere.

Ingeniørerne udviklede en overkommelig teknik til at oprette ledningerne, som de beskriver i et papir i juli 2013 -udgaven af ​​tidsskriftet Keramik International .

"Det, der virkelig er spændende ved denne teknik, er, at vi ikke behøver at skære nanotråde ud af et solidt stykke metal eller legering. Vi kan dyrke dem fra bunden, ved at udnytte materialernes fysik og kemi, sagde Sheikh Akbar, professor i materialevidenskab og teknik ved Ohio State. "Derfor kalder vi vores proces 'nanostrukturer ved materialedesign'."

Akbars team (medråd af hans kollega, Suliman Dregia, lektor i materialevidenskab og teknik) var i stand til at dyrke ledningerne ved at skræddersy blandingen af ​​materialer og gasser inde i en ovn. Ved temperaturer omkring 1, 300 grader Fahrenheit, fine filamenter af titandioxid steg fra en glat titaniumoverflade. Hver var titusinder af gange mindre end et menneskehår.

Men så skete der noget usædvanligt, som ingeniørerne ikke kunne forklare. Hver tråd voksede en beskyttende belægning af aluminiumoxid rundt om sig selv - som et lag bark omkring en træstamme. Belægningens vækst kan give mening, hvis materialet i ovnen var en titaniumlegering, der indeholdt aluminium. Men i dette tilfælde, forskerne arbejdede med rent titanium, så det er ikke klart, hvordan trådene voksede en aluminiumsbelægning.

"Det er mærkeligt, at vi ikke helt forstår, hvorfor denne proces fungerer, som den gør. Vi bliver nødt til at lave en smuk mikroskopi for at finde ud af det, men vi ved, at ledningerne kun dannes under de helt rigtige forhold, "Sagde Akbar.

I test, forskerne voksede knoglekræftceller på tre forskellige overflader:glat titanium, glat titandioxid, og nanotrådtæppet. (De valgte kræftcellerne, fordi cellerne er særligt hårdføre, og reproducerer også på samme måde som sunde knogleceller gør.)

Den største forskel i cellevækst fandt sted inden for de første 15 timers test, da forskere målte en 20 procent højere koncentration af knoglevækstenzymet alkalisk fosfatase, der produceres af cellerne, der vokser på nanotråde. Ved afslutningen af ​​undersøgelsen, der var omkring 90, 000 celler pr. Kvadratcentimeter på nanotrådsoverfladen - 80 procent mere end de 50, 000 celler pr. Kvadratcentimeter på hver af de to andre overflader.

Undersøg medforfatter Derek Hansford, lektor i biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik, sagde, at belægningen kunne hjælpe mennesker, der har udskiftninger af hofte og knæ, tandimplantater, eller knækkede knogler, der kræver skruer og plader for at reparere dem.

"Vores håb er, at denne overfladebehandling bliver en let at implementere ændring af titaniumimplantater for at hjælpe dem med at danne en stærkere grænseflade med omgivende knoglevæv. En stærkere grænseflade betyder, at implantater og knogler bedre vil kunne dele mekaniske belastninger, og vi kan bedre bevare sund knogle og blødt væv omkring implantatstedet, "Sagde Hansford.

Akbar mener, at prisen er rigtig for kommerciel udvikling. Metalfolie til en værdi af $ 100 er nok til at lave hundredvis af prøver.

Metoden til at dyrke ledningerne er også overordentlig enkel. Udover at indstille den rigtige blanding af materialer og gasser, det indebærer lidt andet end at trykke på en knap for at tænde for laboratorieovnen.

"Helt seriøst, hvis du tilbragte dagen i mit laboratorium, du kunne lære at gøre det selv, "Sagde Akbar.

Han og hans team undersøger nu andre kombinationer af materialer og gas for at lave forskellige nanostørrelser til cellevækst og kemisk sansning.