Wetenschappers maken goedkope 'zelfhelende' botten met 3d-printer

Een groep wetenschappers heeft met synthetisch materiaal botten weten te maken die in staat zijn om, wanneer zij geïmplanteerd worden in het lichaam, zichzelf te helen bij schade. Het materiaal is gemaakt met een 3d-printer, maar moet nog wel op mensen worden getest.

Dit zogenaamde hyperelastic bone is ontwikkeld door wetenschappers die verbonden zijn aan de Northwestern University in de Verenigde Staten. Een artikel over het 3d-geprinte materiaal verscheen in Science Translational Medicine, een zusterblad van het gezaghebbende Science. Daarin leggen de onderzoekers uit dat zij met synthetische materialen en een 3d-printer kunstbotten in allerlei vormen en maten kunnen maken, die chirurgen vervolgens gemakkelijk kunnen gebruiken bij een operatie. De bedoeling is dus om de lichaamseigen botten te vervangen.

Opvallend aan de kunstbotten is dat zij in staat zijn om zichzelf weer te helen bij schade, iets dat bij 'echte' botten ook het geval is. Er komen verder geen toegevoegde groeifactoren aan te pas, aldus de wetenschappers. Dat komt omdat het materiaal poreus en absorberend is, en het daardoor effectief lichaamseigen cellen en materialen kan opnemen in het herstelproces.

In experimenten werd het materiaal gebruikt om de ruggengraat van ratten en de schedel van een aap mee te repareren. Volgens de onderzoekers verliep het herstelproces met de kunstmatige botten snel en voorspoedig. Er is echter nog geen onderzoek in mensen gedaan, maar de wetenschappers denken hier wel binnen vijf jaar mee te kunnen beginnen.

De kunstbotten worden gemaakt met een commercieel verkrijgbare 3d-printer, en bestaan voornamelijk uit hydroxyapatiet en polycaprolacton of poly(melkzuur-co-glycolzuur) . Omdat het materiaal goedkoop is om te maken, zou het potentieel snel gebruikt kunnen worden in de kliniek. De onderzoekers moeten echter nog wel aantonen dat de methode ook daadwerkelijk werkt in mensen, en zullen ook moeten laten zien dat het op de lange termijn veilig is. Het zou echter niet de eerste keer zijn dat een 3d-geprint bot wordt gebruikt bij een menselijke transplantatie: Nederlandse chirurgen slaagden hier bijvoorbeeld twee jaar geleden al in.

Reacties (12)

[blade08]

Op mijn werk maken we onder andere dit soort materialen. Hydroxyapatiet, kan als het op de juiste manier is gemaakt oseo inductief zijn ( kan dus botvorming stimuleren). Ook ons materiaal word gemengt met en polymeer. Je houd dan een kneedbaar goedje over, dat door een chirurg gebruikt word om het defect mee op op te vullen. Het kost dan 3-8 weken (afhankelijk van oa het defect) voordat het volledig belast kan worden

Het 3d printen zou dan ook alleen een toegevoegde waarde kunnen hebben als het een dragende functie heeft, of als het een vormgevende functie moet hebben. Het is dus een redelijke niche toepassing en op zich niks echt vernieuwend.

Als achtergrond, het Hydroxyapatiet trekt door zijn oppervlakte structuur oa stamcellen en macrofagen aan. Deze gaan samen aan de slag om het ( wat het lichaam denk) "oude" bot op te ruimen, en daar nieuw bot voor aan te maken.

[Stygeon]

"in mijn tuin ligt ook zand, een chip is ook zand, dus een computer is op zich niks echt vernieuwend."

Dit is toch echt wel een mooie uitvinding, die helaas niet heel goed uit het tweakers-artikel naar voren komt. Het lijkt inderdaad uit het tweakers-artikel inderdaad alsof het gebruik van de materialen nieuw is. Dat is niet zo, maar de wijze waarop het gebruikt is, is wél nieuw.

Hydroxyapatiet met polymeren mengen tot een kneedbaar goedje: dat is leuk, dan krijg je een soort botcement, en daar kun je dan een titanium pin in rammen zodat de kunstheup goed blijft zitten. Dit gebeurt veel, en dit is inderdaad de bekende stand der techniek. Maar daar kleven minstens twee problemen aan: tijdens het rammen van de pin komen er al barstjes in het al half hard geworden cement (oftewel: moeilijk te gebruiken want het moet snel-snel-snel), en het kneedbare goed is zo dicht (als tegengesteld tot luchtig) dat het weinig poreus is, zodat er niet op elke plek evenveel interactie met de omgeving is. Dat laatste probeerde men wel eens op te lossen door groeifactoren etc. met het cement te mengen. Maar ja, als die dan weer lekken en elders terecht komen...

De uitvinders hebben een elastisch cement weten te formuleren uit bekende componenten, waar door de elasticiteit minder barsten in komen tijdens gebruik, maar dat toch dermate luchtig is dat "botcellen" er snel doorheen kruipen om echt nieuw bot te maken, op elke plek even veel. Er zijn geen groeifactoren nodig. Dat is de uitvinding. Het zit hem dus niet in de ingrediënten, maar in de precieze formulering.

Denk aan cake, brood, peperkoek, beschuit: allemaal water en bloem, maar ook allemaal anders. Hier is een uitzonderlijk functioneel botcement ontwikkeld uit bekende ingrediënten, maar met ongekende functionaliteit.

[teacup]

Opvallend aan de kunstbotten is dat zij in staat zijn om zichzelf weer te helen bij schade, iets dat bij 'echte' botten ook het geval is. Er komen verder geen toegevoegde groeifactoren aan te pas, aldus de wetenschappers. Dat komt omdat het materiaal poreus en absorberend is, en het daardoor effectief lichaamseigen cellen en materialen kan opnemen in het herstelproces.

Die zelfhelendheid vind ik lastig te interpreteren. Het enige mechanisme wat ik lees is dat het materiaal goed in staat is om lichaamseigen stoffen op te nemen. Maar dat is toch niet nieuw? Niet geprinte keramieken protheses hebben deze eigenschappen ook al. Die eigenschap is vooral functioneel in het contactvlak tussen de keramische prothese en het echte bot. Ik begrijp dat een dergelijke verbinding ook vaak wordt geholpen met een cementlaag bestaande uit meerdere componenten. Gaat de zelfhelendheid zo ver dat dat ook een beschadiging midden in de prothese hersteld kan raken? Begrijp ik dan dat stamcellen uit het bloed (geen medische achtergrond) worden op genomen en hun "bot" programmaatje beginnen af te draaien?

Er is echter nog geen onderzoek in mensen gedaan, maar de wetenschappers denken hier wel binnen vijf jaar mee te kunnen beginnen.

Over dit aspect ben ik benieuwd over welk een traject we praten. Enkele jaren? Onderzoek naar interactie van het lichaam met prothesen is minder kritisch dan onderzoek dat voor nieuwe medicatie wordt uitgevoerd. Maar het lijkt me dat met bot gelijkende materialen die interactie maar heel langzaam verloopt, en informatie daarom op zich laat wachten.

[Stygeon]

Zelfhelendheid: het is niet bijzonder ingewikkeld als je eenmaal een paar achtergrond-feitjes weet. Ik ga het proberen uit te leggen met opgesomde feitjes:

• je lichaam vernieuwt zichzelf continu (je haar groeit, je moet je nagels knippen)
• ook bot vernieuwd, door gespecialiseerde cellen. Er bestaan serieus bot-bouwers en bot-slopers.
• door dit continue slopen en bouwen worden kleine defecten steeds gerepareerd
• cellen voelen het verschil tussen hydroxyapatiet en echt bot niet zo goed
• een cel zal met het implantaat dus proberen op dezelfde manier om te gaan als met echt bot
• cellen zullen dus proberen het "bot" te vernieuwen door er weer écht bot van te maken

Maar waarom kan dat implantaat dan door echt bot vervangen worden?

• de polymeren die gebruikt zijn, zijn polyesters
• polyesters kunnen vaak gehydrolyseerd worden (opengeknipt door simpel water)
• deze polyester is gewoon uit melkzuur en andere "biocompatibele" monomeren gebouwd
• het polymeer-frame van het implantaat kan dus spoorloos oplossen in het lichaam

• het hydroxyappatiet is "gewoon een zout" (net gips of zo) en zit vol met bot-bouwstenen
• dit wordt dus lekker opgenomen en hergebruikt
• er blijft dus uiteindelijk geen prothese over! Groot verschil met bijvoorbeeld een titanium implantaat; dat blijft hangen

edit: die laatste over titanium toegevoegd om tijdelijke/permanente implant te onderscheiden

Hopelijk helpt dat 👍🏿

Bonus: wil je eens zien wat voor een BIZARRE cellen er bestaan, lees dan eens over osteoclasten op wikipedia. Wie in intelligent design gelooft, zal dan moeten vrezen dat de designer H.R. Giger heet, of H.P. Lovecraft.

Tweede bonus: je had het over stamcellen uit bloed. Die betrokken stamcellen komen niet uit je bloed, maar uit je beenmerg. Ze gaan inderdaad een van de vele bot-programmaatjes afdraaien, en dat komt dan door signaal-stoffen die andere reeds aanwezige cellen uitspugen, in combinatie met welke materialen ze fysiek om zich heen voelen. Zowel kracht als chemie hebben invloed op hoe een cel zich specialiseert.

[Reactie gewijzigd door Stygeon op 24 juli 2024 05:58]

[dormamu]

"Opvallend aan de kunstbotten is dat zij in staat zijn om zichzelf weer te helen bij schade, iets dat bij 'echte' botten ook het geval is. Er komen verder geen toegevoegde groeifactoren aan te pas, aldus de wetenschappers. Dat komt omdat het materiaal poreus en absorberend is, en het daardoor effectief lichaamseigen cellen en materialen kan opnemen in het herstelproces."

Met andere woorden, niet het kunstbot is zelfhelend maar de lichaamseigen cellen helen het kunstbot.

[CollisionNL]

Heel knap, wat een ontwikkeling. In 2014 was ook al een extreem 3D geprint project : " Voor het eerst ter wereld is bij een patiënt een totale schedel vervangen. De 23 uur durende operatie werd succesvol uitgevoerd onder leiding van hersenchirurg dr. Bon Verweij van het UMC Utrecht. Met behulp van 3D print technologie werd een op maat gemaakte schedel van kunststof succesvol geïmplanteerd bij een 22-jarige vrouw." Bron: UMC Utrecht

Dit soort berichten zijn toch fantastisch. Het bijkomende zelfhelende maakt dit toch iets wat voor mij als revolutionair overkomt.

[Reactie gewijzigd door CollisionNL op 24 juli 2024 05:58]

[HolaGanz]

Meer informatie: http://www.umcutrecht.nl/...printe-schedel-geimplante

[CollisionNL]

Oeps vergeten de link te plakken thanks!!

[OCU-Macs]

Mooie ontwikkeling. Het zou mooi zijn als men hiermee ook mensen zou kunnen behandelen met botaandoeningen (ontkalking, broosheid en dergelijke). Je zou wellicht dan ook polio patiënten kunnen helpen. Maar goed, we hebben nog wat jaartjes onderzoek tegemoet te zien. Heel bizar dat men dit dus op maat in 3D kan printen.

[nils83]

"Het zou echter niet de eerste keer zijn dat een 3d-geprint bot wordt gebruikt bij een menselijke transplantatie: Nederlandse chirurgen slaagden hier twee jaar geleden al in."

Al in 2012 werd een 3D geprinte kaak gemaakt door een Belgisch bedrijf door een Nederlands-Belgisch team van chrirurgen bij een 83 jarige Belgische vrouw ingebracht. Dat is volgens mij de eerste operatie met een 3D bot ter wereld.

[Verwijderd]

Dit doen ze met bijv kaak implantaten al jaren, door kraakbeen op een poreuze mal aan te brengen.

[kdekker]

Ik vind die laatste disclaimer 'maar moet nog wel op mensen worden getest' wel de anticlimax van het artikel. Je kunt pas van 'zelfhelende' botten praten als dat laatste experiment is afgerond. Daarvoor is het nog maar onzeker of het wat wordt.