Onderzoekers van de TU Delft zijn er in geslaagd om een hybride meta-biomateriaal te ontwikkelen waarmee bot ingroei bevorderd wordt. Het materiaal is in de natuur niet te vinden, maar werd gecreëerd met behulp van een 3D-printer en al bestaande biomaterialen.
Onderzoekers van de TU Delft ontwikkelden het zogeheten meta-implantaat door conventioneel meta-biomateriaal te combineren met auxetisch meta-biomateriaal. Dat is belangrijk omdat laatstgenoemde substantie - in tegenstelling tot natuurlijke materialen- een negatieve Poisson’s ratio heeft.
Deze ratio betekent dat het materiaal zich zijdelings uitzet (het wordt dikker) wanneer het wordt uitgerekt. Met deze eigenschap kan het materiaal onder meer een betere verankering van heupimplantaten waarborgen. Op 2 januari 2018 publiceren de Delftse wetenschappers hun vindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Materials Horizons.
Voorkomen slechte verankering heupprothesen
Tegen 2020 is het wereldwijde aantal heupprothesen naar verwachting tot 2,5 miljoen per jaar gestegen. Zo’n 10 procent zal, met de huidige gebruikte technieken, binnen tien jaar niet meer goed verankerd zitten in het lichaam. Voor prof. Amir Zadpoor van de TU Delft was dat een drijfveer om te zoeken naar een wijze waarop dit voorkomen kan worden. Het auxetische meta-biomateriaal moet hierbij helpen.
Meta-biomaterialen zijn de biomedische variant van zogenaamde metamaterialen. Zij hebben eigenschappen die niet in de natuur voorkomen, zoals: onzichtbaarheid zijn, uitermate sterk maar toch extreem licht en een negatieve thermische uitzetting.
Interessant voor medische implantaten
Volgens Zadpoor en zijn collega’s zijn deze eigenschappen zeer interessant zijn voor de ontwikkeling van medische implantaten. Doordat auxetisch meta-biomateriaal de bijzondere mechanische eigenschap heeft dat het uitzet wanneer er druk op komt, is het uitermate geschikt als aanvulling op materialen die juist het tegenovergestelde doen.
“Als iemand met een heupimplantaat bijvoorbeeld wandelt dan ontstaan er diverse krachten op de prothese. In geval van een te hoge druk aan één kant van de prothese kan het voorkomen dat er aftrekking van het bot plaatsvindt, dat is zeer onwenselijk.”
Vergroeiing met bot
De onderzoekers vermoeden dat een hybride prothese, deels gemaakt van meta-biomateriaal met een positieve Poisson’s ratio en deels van meta-biomateriaal met een negatieve Poisson’s ratio, veel beter verankerd kan raken in het lichaam. Zadpoor hierover: “Het hybride meta-biomateriaal kan zo beter de kans krijgen met het bot te vergroeien, waardoor het implantaat veel steviger vast zal komen te zitten.”
Ook de belangrijkste oorzaak van loslating van protheses denkt Zadpoor in de toekomst met dit nieuwe materiaal te kunnen ondervangen: “Doordat er minder onnatuurlijke krachten op de prothese werken is de kans kleiner dat er bij slijtage van de heupkom plastic deeltjes vrijkomen die de kans op loslating vergroten.”
Implantaat belast in experiment
Zadpoor heeft in een experiment een implantaat belast met verticale krachten naar beneden, omgeven door botachtig materiaal (speciaal schuim met de mechanische eigenschappen van bot). De kracht simuleert de belasting van een implantaat in het menselijk lichaam.
Door deze kracht zet het implantaat - gemaakt van het nieuwe hybride meta-biomateriaal - uit, wat ervoor zorgt dat er aan beide kanten van het implantaat compressie in het omliggende bot ontstaat (de turquoise blauwe verkleuring op de bijgevoegde foto). Precies dit kan zorgen voor betere verankering.
Nog geen klinische test
Klinische tests hebben nog niet plaatsgevonden. De onderzoeksvraag die de Delftse groep, in samenwerking met onderzoekers van diverse universitaire ziekenhuizen, de komende jaren centraal stelt is hoe deze eigenschappen exact gebruikt kunnen worden om betere implantaten te ontwikkelen.
Innovatie van heupimplantaten is hard nodig en de nieuwe methode van prof. Zadpoor heeft zeker de potentie om de levensduur van implantaten te verlengen, meent prof. Rob Nelissen, orthopedisch chirurg van het Leids Universitair Medisch Centrum en Medical Delta Hoogleraar. “Hierbij moet dan wel een gefaseerde introductie met eerst 3D-metingen van dit implantaat in de patiënt volgen om tot een veilige kwaliteitsverbetering voor patiënten te komen.”
