En helig gral för ortopedisk forskning är en metod för att inte bara skapa konstgjord benvävnad som exakt matchar den äkta varan, men gör det i så mikroskopiska detaljer att det inkluderar små strukturer som potentiellt är viktiga för stamcellsdifferentiering, vilket är nyckeln till benregenerering.

Forskare vid NYU Tandon School of Engineering och New York Stem Cell Foundation Research Institute (NYSF) har tagit ett stort steg genom att skapa den exakta kopian av ett ben med hjälp av ett system som parar biotermisk avbildning med en uppvärmd "nano-mejsel". I en studie, "Kostnads- och tidseffektiv litografi av återanvändbara millimeterstora benvävnadsrepliker med sub-15 nm funktionsstorlek på en biokompatibel polymer, " som står i journalen Avancerade funktionella material , utredarna beskriver ett system som låter dem skulptera, i ett biokompatibelt material, den exakta strukturen av benvävnaden, med egenskaper som är mindre än storleken på ett enda protein – en miljard gånger mindre än en meter. Denna plattform, kallad, biotermisk skanningssondlitografi (bio-tSPL), tar ett "fotografi" av benvävnaden, och använder sedan fotografiet för att producera en bonafide kopia av det.

Laget, ledd av Elisa Riedo, professor i kemi- och biomolekylär teknik vid NYU Tandon, och Giuseppe Maria de Peppo, en Ralph Lauren Senior Principal Investigator vid NYSF, visat att det är möjligt att skala upp bio-tSPL för att producera benrepliker i en storlek som är meningsfull för biomedicinska studier och tillämpningar, till en överkomlig kostnad. Dessa benrepliker stödjer tillväxten av benceller som härrör från en patients egna stamceller, skapa möjligheten att banbryta nya stamcellstillämpningar med bred forskning och terapeutisk potential. Denna teknik kan revolutionera läkemedelsupptäckten och resultera i utvecklingen av bättre ortopediska implantat och anordningar.

Forskningen, "Kostnads- och tidseffektiv litografi av återanvändbara millimeterstora benvävnadsrepliker med sub-15 nm funktionsstorlek på en biokompatibel polymer, " dyker upp i Avancerade funktionella material .

I människokroppen, celler lever i specifika miljöer som kontrollerar deras beteende och stödjer vävnadsregenerering genom tillhandahållande av morfologiska och kemiska signaler i molekylär skala. Särskilt, benstamceller är inbäddade i en matris av fibrer – aggregat av kollagenmolekyler, benproteiner, och mineraler. Den hierarkiska benstrukturen består av en sammansättning av mikro- och nanostrukturer, vars komplexitet har hindrat deras replikering med standardtillverkningsmetoder hittills.

"tSPL är en kraftfull nanotillverkningsmetod som mitt labb var pionjär för några år sedan, och det implementeras för närvarande genom att använda ett kommersiellt tillgängligt instrument, NanoFrazor, sade Riedo. "Men, tills idag, begränsningar i termer av genomströmning och biokompatibilitet hos materialen har förhindrat dess användning i biologisk forskning. Vi är mycket glada över att ha brutit dessa barriärer och att ha lett tSPL till biomedicinska tillämpningar."

Dess tids- och kostnadseffektivitet, såväl som cellkompatibiliteten och återanvändbarheten av benrepliker, gör bio-tSPL till en prisvärd plattform för produktion av ytor som perfekt reproducerar all biologisk vävnad med oöverträffad precision.

"Jag är entusiastisk över den precision som uppnås med bio-tSPL. Benmimetiska ytor, som den som återges i denna studie, skapa unika möjligheter för att förstå cellbiologi och modellera bensjukdomar, och för att utveckla mer avancerade plattformar för läkemedelsscreening, " sa de Peppo. "Som vävnadsingenjör, Jag är särskilt glad över att den här nya plattformen också kan hjälpa oss att skapa mer effektiva ortopediska implantat för att behandla skelett- och käkdefekter till följd av skada eller sjukdom."