Biomedicinsk ingeniør udvikler nanomateriale til helbredelse af knækkede knogler

Et nyt materiale, der får stamceller til at begynde at danne knogler, kunne muliggøre en mere effektiv behandling af knoglebrud og defekter, der er svært at helbrede, siger en biomedicinsk ingeniør fra Texas A&M University, der er en del af teamet, der udvikler biomaterialet.

Holdets forskning er detaljeret i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano og er støttet af National Science Foundation og National Institutes of Health. Dets resultater kan ændre den måde, læger behandler knækkede knogler, der oplever vanskeligheder med at helbrede og ofte kræver knogletransplantationsprocedurer, siger Akhilesh Gaharwar, adjunkt i biomedicinsk teknik ved Texas A&M.

Biomaterialet, som består af nanostørrelse, todimensionelle partikler indlejret i en gel, stimulerer knoglevækst gennem en kompleks signalmekanisme uden brug af proteiner kendt som vækstfaktorer, Gaharwar forklarer. Vækstfaktorer bruges i konventionelle behandlinger, men kan føre til alvorlige bivirkninger på grund af de store mængder, der kræves for at stimulere celler, han siger.

"Vi forsøger at overvinde disse problemer ved at undgå brugen af ​​vækstfaktorer, når vi rekapitulerer den naturlige knoglehelingsproces, "Siger Gaharwar." Vores materiale er et helt andet, alternativ strategi, hvor vi ved at bruge mineraler kan fremkalde differentiering i stamceller og fremme dannelse af knoglelignende væv. "

Disse mineraler, Gaharwar forklarer, er stort set orthosilicic acid, magnesium og lithium – kombineret i bittesmå nanosilikatpartikler, der er 100, 000 gange tyndere end et ark papir. De ultratynde nanopartikler er indlejret i en kollagenbaseret hydrogel, en biologisk nedbrydelig gel, der bruges i flere biomedicinske anvendelser på grund af dens kompatibilitet med kroppen.

Når nanosilikater er inkorporeret i en gelatinematrix, flere fysiske, hydrogelens kemiske og biologiske egenskaber forbedres, Gaharwar forklarer. For eksempel, hydrogelen kan designes til at forblive på skadestedet i bestemte varigheder ved at kontrollere interaktionerne mellem nanosilikaterne og gelatine, Tilføjer Gaharwar. Denne tilpasning, Gaharwar siger, kan tillade den injicerede hydrogel at komme ind i defekthulen og hjælpe den med at helbrede, mens den langsomt nedbrydes, da den erstattes af naturligt væv.

Test af materialets mekaniske egenskaber er også lovende, siger Gaharwar. Ud over dets evne til at blive injiceret på skadestedet, materialet opnår tre til fire gange højere stivhed en gang inde i kroppen, så den kan låses på plads. Dette forhindrer materialet i at flyde til andre dele af kroppen, derved undgå uønskede bivirkninger, siger Gaharwar.

Resultaterne, Gaharwar siger, har været positive, som det fremgår af både kortsigtede og langsigtede indikatorer for knoglevækst. Indledende test, han siger, viser en tredobbelt stigning i alkalisk phosphataseaktivitet, en markør for tidlig knogledannelse (kendt som osteogenese). Dette er en bekræftelse, Gaharwar forklarer, at signaleringsprocessen faktisk "beder" stamceller om at differentiere til knogleceller. Sene markører er også positive, tilføjer han, bemærker, at de viser en fire gange stigning i tilstedeværelsen af ​​calciumphosphat, en hovedbestanddel af knogle.

"De dynamiske og bioaktive nanokompositgeler, vi har udviklet, viser et stærkt løfte i knoglevævstekniske applikationer, " siger Gaharwar.

Som en del af fremtidig forskning, Gaharwar planlægger yderligere undersøgelse af den proces, hvorved nanoplatelet udløser celledifferentiering. Derudover gelens forskydningsfortyndende karakteristika kan bruges til at printe tredimensionelle vævsstrukturer fyldt med celler, forklarer han. Med det i tankerne, Gaharwar arbejder sammen med kolleger for at bygge skræddersyede, vaskulariserede stilladser, der anvender materialet og kan kirurgisk indsættes på stedet for mere alvorlige skader, hvor injektion ikke er en mulighed. Stilladserne, forklarer han, ville gøre det muligt for skadestedet at modtage blodgennemstrømning som en del af den forbedrede helingsproces initieret af nanopartiklerne. Det er et system, som Gaharwar mener vil løse nogle af de udfordringer, der er forbundet med at konstruere komplekse væv eller organer.

"Baseret på vores stærke indledende undersøgelser, vi forudser, at disse meget biofunktionelle partikler har et enormt potentiale til at blive brugt i biomedicinske applikationer, "bemærker han.