Nanoteknik fremmer knogledannende materiale

Murdoch Universitys nanoteknologiforskere har med succes udviklet syntetiske materialer, som fremmede knogledannelse hos får.

Fremskridtet betyder, at den vellykkede brug af syntetiske materialer i knogletransplantationer til menneskelige patienter er et skridt nærmere. Materialet kan også have potentielle fremtidige anvendelser inden for frakturreparation og rekonstruktiv kirurgi.

I øjeblikket patientens egen knogle, donerede knogler eller kunstige materialer bruges til knogletransplantationer, men begrænsninger med alle disse muligheder har fået forskere til at undersøge, hvordan syntetiske materialer kan forbedres.

Dr. Eddy Poinern og hans team fra Murdoch Applied Nanotechnology Research Group arbejdede med pulverform af biokeramisk hydroxyapatit (HAP) for at danne pellets med en svampelignende struktur, som derefter med succes blev implanteret bag skuldrene på fire får af samarbejdspartnere fra skolen i veterinær- og biovidenskab ved Murdoch University.

HAP bliver allerede brugt i en række biomedicinske applikationer såsom knogleforøgelse i tandplejen på grund af dets lighed med den uorganiske mineralkomponent i menneskelig knogle. Men behandlinger af HAP, så det med succes kan anvendes i et knogletransplantat, mangler endnu at blive udviklet på grund af kompleksiteten forbundet med kompatibilitet og HAP's belastningsbærende begrænsninger.

Dr. Poinern og hans team forberedte pellets med varierende tæthed og porøsitet ved hjælp af en række kemiske metoder, herunder sintring, ultralyd og mikrobølger. Fire pellets blev implanteret i musklerne i hvert af fårene, senere demonstrerer god biokompatibilitet, herunder blandet cellekolonisering efter fire uger og endda ny knogledannelse 12 uger efter operationen.

"At bruge syntetiske materialer på denne måde er vanskeligt og kompliceret, fordi de skal konstrueres til at være porøse og til at replikere de forskellige fysiske, kemiske og mekaniske egenskaber fundet i naturligt knoglevæv, " forklarede Dr Poinern.

"De skal også være ikke-toksiske og have en nedbrydningshastighed, som gør det muligt for celler fra værten at støt rekolonisere området og tillade dannelsen af ​​blodkar, der er nødvendige for levering af næringsstoffer til det dannede knoglevæv.

"Vi vidste allerede, at syntetisk HAP var et godt materiale at studere til mulig brug i knoglerelateret medicin, men vi skulle finde ud af, om de pellets, vi havde konstrueret, var biokompatible.

"Vores resultater var meget positive - vores pellets fungerede som et stillads for væksten af ​​knoglemateriale, muliggjort på grund af dets porøse egenskaber, der tillader celler at infiltrere.

"Pillerne var også meget omkostningseffektive at lave."

Selvom undersøgelsen var i lille skala og oprindeligt havde til formål at teste biokompatibiliteten af ​​HAP-pellets, knoglevæksten var ud over, hvad det tværfaglige team forventede.

Lektor Martin Cake, som kirurgisk implanterede pellets i fårene, beskrev resultaterne som "betagende" og sagde, at de lover godt for brugen af ​​konstrueret HAP i knogleimplantater.

"Dette materiale begynder som et pulver, der teoretisk kan støbes til enhver form, eller måske en dag endda 3D-printet, derefter sintret for at hærde det, " han sagde.

Lektor Phil Nicholls, som påtog sig patologien i undersøgelsen tilføjede:"Det er tidlige dage, men vi håber, at dette arbejde vil hjælpe med at udvikle yderligere samarbejder både mellem vores egne skoler, og med andre institutioner.

"Det er et eksempel på, hvorfor vi tror, ​​at den nye sundhedscampus omkring det nye Fiona Stanley Hospital vil være en reel katalysator for translationel forskning. Der er få andre steder, hvor denne kombination af kapaciteter er placeret på det ene område."

Dr. Poinern sagde, at han håbede at forbedre og matche de fysiske og mekaniske egenskaber af pellets med dem af naturligt knoglevæv i en ny undersøgelse.

"Når disse egenskaber er opnået, yderligere implantationsundersøgelser vil blive udført for at fastslå gennemførligheden af ​​at bruge dette stillads til knogletransplantationer, " han sagde.

Dr. Poinern et al's papir om forskningen blev offentliggjort i Nature's Videnskabelige rapporter tidsskrift.

Implantationsundersøgelsen blev udført i ikke-drægtige Merino moderfår med godkendelse af Murdoch University's Animal Ethics Committee, og alle forsøg blev udført i overensstemmelse med Australian National Health and Medical Research Councils (NHMRC) Code of Practice for pleje og brug af dyr til videnskabelige formål.

I overensstemmelse med kodeksens etiske principper, fårene blev samtidig brugt i et ikke-relateret forsøg, der involverede operation af kvæleleddene.

Efter at pillerne var fjernet, fårene blev aflivet humant.