Een bal, een zadel of een platte plaat. De kromming van biomaterialen remt of stimuleert botcellen om nieuw weefsel aan te maken, om daarmee te komen tot orgaanherstel. Ingenieurs van de TU Delft lieten dit zien in een onderzoek dat op 3 maart is verschenen in Nature Communications. Deze studie van geometrieën kan een belangrijke stap zijn in het onderzoek naar herstel van beschadigde weefsels.
Amir Zadpoor, hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica en supervisor van het onderzoek, legt uit dat cellen voelen en reageren op de geometrie van de oppervlakken waaraan ze worden blootgesteld. “Afhankelijk van hun kromming kunnen oppervlakken cellen aanmoedigen om nieuw weefsel aan te maken of hen ervan weerhouden dat te doen. Stimulerende krommingen, die gemaakt zijn door een 3D-printer, zijn een gemakkelijke en veilige manier om weefselgroei, onder andere voor orgaanherstel, te bevorderen. Vergeleken met bijvoorbeeld medicijnen zijn ze ook veel goedkoper.”
Orgaanherstel
De onderzoekers lieten de botcellen in petrischalen groeien, omgeven door kleine vormpjes gemaakt van biomateriaal waarmee de onderzoekers ervaring hebben. Daaruit bleek dat, afhankelijk van de krommingen in de vormpjes, de cellen de neiging hadden om op verschillende manieren te groeien, zich te delen en weefsel te vormen.
Weliswaar bestaan krommingen in oneindig veel variaties, toch vallen ze altijd grofweg in een van deze drie categorieën: een bal heeft een bolle kromming, een zadel een holle kromming en een plaat is plat. “Cellen geven de voorkeur aan een zadelvorm. Als ze een zadelvorm in de buurt waarnemen, wordt de groei gestimuleerd. Uit de studie blijkt ook dat cellen dalen verkiezen boven heuvels”, zegt een van de auteurs, universitair docent Biomaterialen Lidy Fratila-Apachitei.
Verantwoordelijk voor de experimenten en de analyse binnen het onderzoek was eerste auteur Sebastien Callens. ”Cellen hebben ook een skelet, dat bestaat uit vezels die meer of minder op spanning staan. Hoe de spanning zich opbouwt in die vezels, beïnvloedt het gedrag van cellen sterk. Uit onze studie blijkt dat cellen hun spanningsvezels collectief afstemmen op de krommingen die ze ervaren, zodat ze zo min mogelijk hoeven te buigen. Ik kon zien dat cellen liever languit uitlijnen dan buigen”, aldus Callens.
Maximale weefselgeneratie
Het is niet mogelijk om alleen zadelvormige krommingen rond cellen te hebben. Zoals de drie hoeken van een driehoek altijd samen 180 graden bedraagt, moet ook de som van alle krommingen gelijk zijn aan enkele fundamentele getallen.
Zadspoor: “Je hebt altijd een beperkt budget aan zadelvormen. Als je ergens te veel negatieve kromming gebruikt, moet je ergens anders positieve krommingen gebruiken om de som constant te houden. Je moet je budget aan zadelkrommingen verstandig gebruiken om maximale weefselregeneratie te stimuleren.”
Nieuwe biomaterialen
Om de optimale geometrie van biomaterialen en implantaten om de weefselregeneratie te maximaliseren ten behoeve van orgaanherstel, biedt deze studie een leidraad. De benodigde complexe geometrische ontwerpen worden met zeer nauwkeurige 3D-printtechnieken gemaakt, om de vormen zo klein te maken dat ze voor cellen waarneembaar zijn. “We hebben nu nieuwe spelregels ontdekt waarmee biomaterialen weefselgroei kunnen stimuleren. In vervolgonderzoek gaan we proberen die regels optimaal toe te passen”, aldus Callens.
De 3D-printer is al lang niet meer weg te denken uit de maak-industrie, ook ten behoeve van orgaanherstel. Binnen de gezondheidszorg is het 3D-printen van, met name, hulpmiddelen en (bot)protheses al niet nieuw meer.
