Celler visar tecken på sund tillväxt i denna transmissionselektronmikroskopbild, tagna 15 timmar efter att de placerats på en titanyta belagd med en matta av små nanotrådar. I insatsen (övre vänstra), filament kan ses nå ut från celler till ytan, vilket indikerar en stark koppling. Ohio State Universitys ingenjörer utvecklar beläggningen, som en dag kan hjälpa till att brutna ben och ledbyten läker snabbare. Upphovsman:Sheikh Akbar, Ohio State University.
Trasiga ben och ledbyten kan någon gång läka snabbare, tack vare en ovanlig beläggning för medicinska implantat under utveckling vid Ohio State University.
Forskare här har funnit att benceller växer och reproducerar sig snabbare på en texturerad yta än de gör på en slät - och de växer bäst när de kan klamra sig fast vid en mikroskopisk shagmatta gjord av små metalloxidtrådar.
I tester, trådarna ökade celltillväxten med nästan 80 procent jämfört med andra ytor, vilket tyder på att beläggningen skulle hjälpa friska ben att bilda en stark bindning med ett implantat snabbare.
Ingenjörerna utvecklade en prisvärd teknik för att skapa ledningarna, som de beskriver i en artikel i tidningen juli 2013 Ceramics International .
"Det som är riktigt spännande med den här tekniken är att vi inte behöver skära nanotrådarna från en solid bit metall eller legering. Vi kan odla dem från grunden, genom att utnyttja materialens fysik och kemi, sa Sheikh Akbar, professor i materialvetenskap och teknik vid Ohio State. "Det är därför vi kallar vår process för" nanostrukturer genom materialdesign. "
Akbars team (samråd av sin kollega, Suliman Dregia, docent i materialvetenskap och teknik) kunde växa trådarna genom att skräddarsy blandningen av material och gaser inuti en ugn. Vid temperaturer runt 1, 300 grader Fahrenheit, fina filament av titandioxid steg från en slät titanyta. Var och en var tiotusentals gånger mindre än ett människohår.
Denna svepelektronmikroskopbild visar en enda tråd, tiotusentals gånger tunnare än ett människohår, som skapades i en ugn vid Ohio State University. Ingenjörer här odlar mattor av dessa trådar på titaniumytor för att öka celltillväxten, med det yttersta målet att hjälpa kroppen att läka runt ben- och ledimplantat. Kredit:Bild med tillstånd av Sheikh Akbar, Ohio State University.
Men sedan hände något ovanligt som ingenjörerna inte kunde förklara. Varje tråd växte fram en skyddande beläggning av aluminiumoxid runt sig själv - som ett barklager runt en trädstam. Tillväxten av beläggningen kan vara vettig, om materialet i ugnen var en titanlegering som innehöll aluminium. Men i det här fallet, forskarna arbetade med rent titan, så det är inte klart hur trådarna fick en aluminiumbeläggning.
"Det är konstigt att vi inte helt förstår varför den här processen fungerar som den gör. Vi måste göra en fin mikroskopi för att ta reda på det, men vi vet att trådarna endast bildas under de rätta förhållandena, Sa Akbar.
I tester, forskarna odlade bencancerceller på tre olika ytor:slät titan, slät titandioxid, och mattan i nanotråd. (De valde cancercellerna eftersom cellerna är särskilt hårda, och reproducerar också på samma sätt som friska benceller gör.)
Den största skillnaden i celltillväxt inträffade under de första 15 timmarna av testning, när forskare mätte en 20 procent högre koncentration av benväxtenzymet alkaliskt fosfatas som produceras av cellerna som växer på nanotrådarna. I slutet av studien, det var runt 90, 000 celler per kvadratcentimeter på nanotrådsytan – 80 procent mer än de 50, 000 celler per kvadratcentimeter på var och en av de andra två ytorna.
Studie medförfattare Derek Hansford, docent i biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik, sa att beläggningen kan hjälpa människor som har höft- och knäproteser, tandimplantat, eller brutna ben som kräver skruvar och plattor för att reparera dem.
"Vår förhoppning är att denna ytbehandling ska bli en enkel att genomföra modifiering av titanimplantat för att hjälpa dem att bilda ett starkare gränssnitt med omgivande benvävnad. Ett starkare gränssnitt innebär att implantat och ben kommer att bättre kunna dela mekaniska belastningar, och vi kan bättre bevara friskt ben och mjuk vävnad runt implantatstället, Sa Hansford.
Akbar tror att priset är rätt för kommersiell utveckling. Metallfolie för 100 dollar räcker för att göra hundratals prover.
Metoden att odla trådarna är också mycket enkel. Utöver att ställa in rätt blandning av material och gaser, det handlar om lite annat än att trycka på en knapp för att slå på laboratorieugnen.
"Allvarligt, om du tillbringade dagen i mitt labb, du kan lära dig att göra det själv, sa Akbar.
Han och hans team utforskar nu andra material- och gaskombinationer för att skapa olika former i nanostorlek för celltillväxt och kemisk avkänning.
