UConn-forskare har skapat en biologiskt nedbrytbar komposit gjord av silkesfibrer som kan användas för att reparera trasiga lastbärande ben utan de komplikationer som ibland uppstår med andra material.

Att reparera stora bärande ben som de i benet kan vara en lång och obekväm process.

För att underlätta reparation, läkare kan installera en metallplatta för att stödja benet när det smälter och läker. Ändå kan det vara problematiskt. Vissa metaller läcker ut joner till omgivande vävnad, orsakar inflammation och irritation. Metaller är också väldigt styva. Om en metallplatta bär för mycket belastning i benet, det nya benet kan växa tillbaka svagare och vara känsligt för frakturer.

Att söka en lösning på problemet, UConn professor Mei Wei, en materialvetare och biomedicinsk ingenjör, vände sig till spindlar och nattfjärilar för inspiration. Särskilt, Wei fokuserade på silkesfibroin, ett protein som finns i silkesfibrerna spunnna av spindlar och nattfjärilar känt för sin seghet och draghållfasthet.

Det medicinska samfundet har varit medvetet om sidenfibroin ett tag. Det är en vanlig komponent i medicinska suturer och vävnadsteknik på grund av dess styrka och biologiska nedbrytbarhet. Men ingen hade någonsin försökt göra en tät polymerkomposit av den, och det är vad Wei visste att hon behövde om hon skulle skapa en bättre anordning för att läka brutna lastbärande ben.

Arbetar med UConn docent Dianyun Zhang, en maskiningenjör, Weis laboratorium började testa sidenfibroin i olika sammansatta former, letar efter rätt kombination och proportion av olika material för att uppnå optimal styrka och flexibilitet. Den nya kompositen behövde verkligen vara stark och styv, men inte så mycket att det skulle hämma tät bentillväxt. På samma gång, kompositen behövde vara flexibel, vilket gör att patienterna kan behålla sitt naturliga rörelseomfång och rörlighet medan benet läker.

Efter dussintals tester, Wei och Zhang hittade materialen de letade efter. Den nya kompositen består av långa sidenfibrer och fibrer av polymjölksyra - en biologiskt nedbrytbar termoplast som härrör från majsstärkelse och sockerrör - som doppas i en lösning där var och en är belagd med fina biokeramiska partiklar gjorda av hydroxiapatit (kalciumfosfatmineralet som finns i tänderna och ben). De belagda fibrerna packas sedan i lager på en liten stålram och pressas in i en tät kompositstav i en het kompressionsform.

I en studie som nyligen publicerades i Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials , Wei rapporterar att den högpresterande biologiskt nedbrytbara kompositen visade styrka och flexibilitetsegenskaper som är bland de högsta som någonsin registrerats för liknande bioresorberbara material i litteraturen.

Och de kan bli ännu bättre.

"Våra resultat är riktigt höga när det gäller styrka och flexibilitet, men vi känner att om vi kan få varje komponent att göra det vi vill att de ska göra, vi kan bli ännu högre, "säger Wei, som också fungerar som Tekniska högskolans associerade dekanus för forskning och forskarutbildning.

Den nya kompositen är också motståndskraftig. Stora benben hos vuxna och seniorer kan ta många månader att läka. Kompositen som utvecklats i Weis labb gör sitt jobb och börjar sedan brytas ned efter ett år. Ingen operation krävs för borttagning.

Bryant Heimbach, tillsammans med Wei och Zhang i forskningen, a Ph.D. candidate and materials scientist in Wei's lab; and Beril Tonyali, a UConn undergraduate pursuing a degree in materials science and engineering.

The team has already begun testing new derivatives of the composite, including those that incorporate a single crystalline form of the hydroxyapatite for greater strength and a variation of the coating mixture to maximize its mechanical properties for bones bearing more weight.