Varje år, mer än en miljon amerikaner får en konstgjord höft- eller knäprotes. Sådana implantat är designade för att hålla många år, men hos cirka 17 procent av patienterna som får en total ledprotes, implantatet lossnar så småningom och måste bytas ut tidigt, som kan orsaka farliga komplikationer för äldre patienter.

För att hjälpa till att minimera dessa betungande operationer, ett team av MIT kemiingenjörer har utvecklat en ny beläggning för implantat som kan hjälpa dem att bättre fästa vid patientens ben, förhindra för tidigt misslyckande.

"Detta skulle tillåta implantatet att hålla mycket längre, till sin naturliga livstid, med lägre risk för misslyckande eller infektion, säger Paula Hammond, David H. Koch professor i teknik vid MIT och senior författare till en artikel om arbetet som förekommer i tidskriften Avancerade material .

Beläggningen, som får kroppens egna celler att producera ben som fixerar implantatet på plats, kan också användas för att hjälpa till att läka frakturer och förbättra tandimplantat, enligt Hammond och huvudförfattaren Nisarg Shah, en doktorand i Hammonds labb.

Ett alternativ till bencement

Konstgjorda höfter består av en metallkula på en skaft, förbinder bäckenet och lårbenet. Bollen roterar i en plastkopp fäst på insidan av höftskålen. Liknande, konstgjorda knän består av plattor och en skaft som möjliggör rörelse av lårbenet och skenbenet. För att säkra implantatet, kirurger använder bencement, en polymer som liknar glas när den härdat. I vissa fall, detta cement slutar att spricka och implantatet lossnar från benet, orsakar kronisk smärta och förlust av rörlighet för patienten.

"Typiskt, i så fall, implantatet tas bort och sätts tillbaka, som orsakar enorm sekundär vävnadsförlust hos patienten som inte skulle ha hänt om implantatet inte hade misslyckats, " säger Shah. "Vår idé är att förhindra fel genom att belägga dessa implantat med material som kan inducera naturligt ben som genereras i kroppen. Det benet växer in i implantatet och hjälper till att fixera det på plats.”

Den nya beläggningen består av en mycket tunn film, allt från 100 nanometer till en mikron, består av lager av material som hjälper till att främja snabb bentillväxt. Ett av materialen, hydroxiapatit, är en naturlig del av ben, gjord av kalcium och fosfat. Detta material attraherar mesenkymala stamceller från benmärgen och tillhandahåller ett gränssnitt för bildandet av nytt ben. Det andra lagret frigör en tillväxtfaktor som stimulerar mesenkymala stamceller att omvandlas till benproducerande celler som kallas osteoblaster.

När osteoblasterna bildas, de börjar producera nytt ben för att fylla ut utrymmena som omger implantatet, fästa det till det befintliga benet och eliminera behovet av bencement. Att ha frisk vävnad i det utrymmet skapar en starkare bindning och minskar avsevärt risken för bakteriell infektion runt implantatet.

"När bencement används, dött utrymme skapas mellan det befintliga benet och implantatstammen, där det inte finns några blodkärl. Om bakterier koloniserar detta utrymme skulle de fortsätta att föröka sig, eftersom immunförsvaret inte kan nå och förstöra dem. En sådan beläggning skulle vara till hjälp för att förhindra att det inträffar, " säger Shah.

Det tar minst två eller tre veckor för benet att fyllas ut och helt stabilisera implantatet, men en patient skulle fortfarande kunna gå och göra sjukgymnastik under denna tid, enligt forskarna.

Ställbar kontroll

Det har gjorts tidigare försök att belägga ortopediska implantat med hydroxiapatit, men filmerna blir ganska tjocka och instabila, och tenderar att bryta sig loss från implantatet, säger Shah. Andra forskare har experimenterat med att injicera tillväxtfaktorn eller deponera den direkt på implantatet, men det mesta slutar med att det rinner bort från implantatstället, lämnar för lite bakom sig för att ha någon effekt.

MIT-teamet kan kontrollera tjockleken på sin film och mängden tillväxtfaktor som frigörs genom att använda en metod som kallas lager-för-lager-montering, där de önskade komponenterna läggs ner ett skikt i taget tills den önskade tjockleken och läkemedelssammansättningen uppnås.

"Detta är en betydande fördel eftersom andra system hittills verkligen inte har kunnat kontrollera mängden tillväxtfaktor som du behöver. Många enheter måste vanligtvis använda kvantiteter som kan vara större än vad du behöver, som kan leda till oönskade biverkningar, " säger Shah.

Forskarna utför nu djurstudier som har visat lovande resultat:Beläggningarna leder till snabb benbildning, låsa implantaten på plats.

Denna beläggning skulle kunna användas inte bara för ledersättningar, men även för fixeringsplattor och skruvar som används för att sätta benfrakturer. "Det är väldigt mångsidigt. Du kan applicera den på vilken geometri som helst och ha en enhetlig beläggning runt om, " säger Shah.

En annan möjlig tillämpning är i tandimplantat. Konventionellt, implantation av en konstgjord tand är en process i två steg. Först, en gängad skruv är inbäddad i käften; denna skruv måste stabiliseras genom att integreras med den omgivande benvävnaden i flera månader innan patienten återvänder till kliniken för att få den nya kronan fäst på skruven. Detta skulle kunna reduceras till en process i ett steg där patienten får hela implantatet med en version av dessa beläggningar.

Denna forskning finansierades av National Institutes of Healths National Institute on Aging och genomfördes vid David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research med stöd från Institute for Soldier Nanotechnologies vid MIT.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.