Krøllede belægninger kan forhindre medicinske implantater i at svigte

Medicinske implantater kan svigte sjældnere, når de er belagt med et mikroskopisk krøllet, keramisk materiale designet af forskere ved University of Michigan. Belægningen er beskrevet i et papir offentliggjort i ACS Applied Materials and Interfaces .

Materialets meget små rynker er den perfekte størrelse for unge knogleceller og immunceller at låse fast på. Med deres fastere greb om belægningerne kan menneskelige celler hæfte sig kraftigt til implantatet og strække sig ud langs dets overflade. Strakte knogleceller udvikler sig hurtigere, og strakte immunceller har en tendens til at hjælpe med at helbrede væv og reducere inflammation i stedet for at angribe implantatet som en fremmed angriber, så forskerne tror, ​​at deres belægninger kan gøre medicinske implantater mere succesfulde.

"Medicinske implantater svigter, når de ikke integreres pænt med kroppen, enten fordi immunceller forsøger at afvise implantatet, eller der er utilstrækkelig vævsheling omkring implantatet," siger Jouha Min, adjunkt i kemiteknik og den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

"De fleste undersøgelser fokuserer kun på et problem ad gangen, men belægningerne kunne tackle begge problemer og hjælpe en patient med at komme tilbage til deres normale liv meget hurtigere," tilføjede Min.

Når væv omkring et medicinsk implantat ikke heler ordentligt, kan implantatet løsne sig og miste en vis funktion, hvilket ofte kræver korrigerende kirurgi. Dette problem, kaldet aseptisk løsning, tegner sig for omkring 20 % af alle hofterevisionsoperationer og 25 % af alle knæerevisionsoperationer, ifølge American Academy of Orthopedic Surgeons '2023-rapport. Betændelsesproblemer tegner sig for yderligere 22 % af hofterevisionerne og omkring 33 % af knæerevisionerne.

Af de 3,1 millioner hofte- og knæudskiftninger, der blev givet mellem 2012 og 2022, krævede næsten 236.000 korrigerende kirurgi. Med det årlige antal hofte- og knæudskiftninger stiger, vil mange mennesker drage fordel af implantater, der integreres bedre med deres krop.

De krøllede belægninger kan hjælpe med at lave et vellykket implantat, men kun hvis størrelsen af ​​rillerne i belægningerne kan kontrolleres præcist, ifølge den nye undersøgelse. Når rillerne i belægningen er omkring 2 mikrometer brede, begynder menneskelige celler at strække sig og danne fingerlignende vedhæng for at klæbe til rillerne, som er mere end 10 gange mindre end knoglecellerne.

Efterhånden som cellerne føler sig rundt i deres omgivelser, tænder de også for genetiske kontakter, der stimulerer udviklingen til modne knogleceller eller immunceller, der reducerer inflammation. Når bredden af ​​belægningens riller er mindre end en mikrometer, strækker cellerne sig ikke. Som et resultat udvikler knogleceller sig langsommere, og immunceller udløses til at bekæmpe fremmedlegemer og forårsage betændelse.

"Ved at gå fra nano- til mikroskalaen kan vi lede vævscellerne til fordel for et vellykket implantat," sagde Mohammad Asadi Tokmedash, doktorgradsstuderende i kemiteknik og undersøgelsens første forfatter.

Forskernes nye belægningsfremstillingsmetode giver dem mulighed for at kontrollere størrelsen af ​​rillerne. De tilføjer først det keramiske materiale på en plade af polystyren lag for lag.

Når keramikken er tilstrækkelig tyk, opvarmer forskerne polystyrenpladen, hvilket får den til at krympe. Den vedhæftede keramik krymper med polystyrenen, men den revner og deformeres også, fordi den er mindre fleksibel end polystyrenen. De resulterende revner og bøjninger bliver til de riller, som cellerne griber ind i, og rillernes størrelse styres af tykkelsen af ​​de keramiske lag, der lægges oven på polystyrenpladen, før den opvarmes.

Der er én ulempe ved at udelade mindre riller i nanoskala fra belægningen - de er bedre til at forhindre patogene bakterier i at klæbe til den ved at skabe en ru, spids overflade, der beskadiger bakteriecellemembraner. Større riller i mikroskala kan være ideelle for menneskelige celler at hænge fast i, men de giver også masser af plads til bakterier at gemme sig i og vokse på belægningerne.

Fordi infektion er en anden væsentlig årsag til implantatsvigt, arbejder holdet i øjeblikket på en metode, der gør det muligt for deres belægninger at dræbe bakterier, samtidig med at de giver sikre håndtag for menneskelige celler at sætte sig fast på. Fremtidige eksperimenter vil teste deres idé. Belægningerne blev undersøgt på Michigan Center for Materials Characterization.

Flere oplysninger: Mohammad Asadi Tokmedash et al., Designer Micro-/Nanocrumpled MXene Multilayer Coatings accelererer osteogenese og regulerer makrofagpolarisering, ACS-anvendte materialer og grænseflader (2024). DOI:10.1021/acsami.3c18158

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af University of Michigan College of Engineering