Ett nytt material som får stamceller att börja bilda ben kan möjliggöra en mer effektiv behandling för svårläkta benbrott och defekter, säger en biomedicinsk ingenjör från Texas A&M University som är en del av teamet som utvecklar biomaterialet.

Teamets forskning är detaljerad i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano och stöds av National Science Foundation och National Institutes of Health. Dess resultat kan förändra hur läkare behandlar frakturerade ben som upplever svårigheter att läka och ofta kräver bentransplantationer, säger Akhilesh Gaharwar, biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Texas A&M.

Biomaterialet, som består av nanostorlek, tvådimensionella partiklar inbäddade i en gel, stimulerar bentillväxt genom en komplex signalmekanism utan användning av proteiner som kallas tillväxtfaktorer, Gaharwar förklarar. Tillväxtfaktorer används i konventionella behandlingar, men kan leda till allvarliga biverkningar på grund av de stora mängder som krävs för att stimulera celler, han säger.

"Vi försöker övervinna dessa problem genom att undvika användningen av tillväxtfaktorer när vi rekapitulerar den naturliga benläkningsprocessen, " säger Gaharwar. "Vårt material är ett helt annat, alternativ strategi där vi genom att använda mineraler kan framkalla differentiering i stamceller och främja bildning av benliknande vävnad. "

Dessa mineraler, Gaharwar förklarar, är till stor del ortokiselsyra, magnesium och litium - kombinerat i små nanosilikatpartiklar som är 100, 000 gånger tunnare än ett pappersark. De ultratunna nanopartiklarna är inbäddade i en kollagenbaserad hydrogel, en biologiskt nedbrytbar gel som används i flera biomedicinska tillämpningar på grund av dess kompatibilitet med kroppen.

När nanosilikater införlivas i en gelatinmatris, flera fysiska, kemiska och biologiska egenskaper hos hydrogelen förbättras, Gaharwar förklarar. Till exempel, hydrogelen kan utformas för att stanna kvar på skadestället under en viss tid genom att kontrollera interaktionerna mellan nanosilikaten och gelatinet, tillägger Gaharwar. Denna anpassning, Gaharwar säger, kan tillåta den injicerade hydrogelen att komma in i defekthålan och hjälpa den att läka medan den sakta nedbryts när den ersätts av naturlig vävnad.

Tester på materialets mekaniska egenskaper är också lovande, säger Gaharwar. Förutom dess förmåga att injiceras på platsen för en skada, materialet uppnår tre till fyra gånger högre styvhet en gång inuti kroppen, så att den kan låsas på plats. Detta förhindrar att materialet rinner till andra delar av kroppen, för att undvika oönskade biverkningar, säger Gaharwar.

Resultaten, Gaharwar säger, har varit positiva, vilket framgår av både kortsiktiga och långsiktiga indikatorer på bentillväxt. Inledande tester, han säger, visa en trefaldig ökning av alkaliskt fosfatasaktivitet, en markör för tidig benbildning (känd som osteogenes). Detta är en bekräftelse, Gaharwar förklarar, att signaleringsprocessen verkligen "ber" stamceller att differentiera till benceller. Sena markörer är också positiva, han lägger till, noterar att de visar en fyrfaldig ökning av närvaron av kalciumfosfat, en huvudkomponent i ben.

"De dynamiska och bioaktiva nanokompositgelerna vi har utvecklat visar starkt lovande i benvävnadstekniska tillämpningar, " säger Gaharwar.

Som en del av framtida forskning, Gaharwar planerar ytterligare utredning av processen genom vilken nanotrombocyterna utlöser celldifferentiering. Dessutom, gelens skjuvförtunnande egenskaper kan användas för att skriva ut tredimensionella vävnadsstrukturer laddade med celler, han förklarar. Med detta i åtanke, Gaharwar arbetar med kollegor för att bygga skräddarsydda, vaskulariserade ställningar som använder materialet och kan sättas in kirurgiskt på platsen för mer allvarliga skador där injektion inte är ett alternativ. Ställningarna, han förklarar, skulle göra det möjligt för skadeplatsen att ta emot blodflöde som en del av den förbättrade läkningsprocessen som initieras av nanopartiklarna. Det är ett system som Gaharwar tror kommer att ta itu med några av de utmaningar som är förknippade med konstruktion av komplexa vävnader eller organ.

"Baserat på våra starka förstudier, vi förutsäger att dessa mycket biofunktionella partiklar har en enorm potential att användas i biomedicinska tillämpningar, " konstaterar han.