Medicinska implantat kan misslyckas mer sällan när de är belagda med ett mikroskopiskt skrynkligt, keramiskt material designat av forskare vid University of Michigan. Beläggningen beskrivs i en artikel publicerad i ACS Applied Materials and Interfaces .
Materialets mycket små veck är den perfekta storleken för unga benceller och immunceller att haka fast på. Med sitt fastare grepp om beläggningarna kan mänskliga celler fästa kraftigt vid implantatet och sträcka sig ut längs dess yta. Sträckta benceller utvecklas snabbare, och sträckta immunceller tenderar att hjälpa till att läka vävnad och minska inflammation snarare än att attackera implantatet som en främmande inkräktare, så forskarna tror att deras beläggningar kan göra medicinska implantat mer framgångsrika.
"Medicinska implantat misslyckas när de inte integreras bra med kroppen, antingen för att immunceller försöker stöta bort implantatet eller för att det inte finns tillräcklig vävnadsläkning runt implantatet", säger Jouha Min, biträdande professor i kemiteknik och motsvarande författare till studien.
"De flesta studier fokuserar bara på ett problem i taget, men beläggningarna skulle kunna hantera båda problemen och hjälpa en patient att återgå till sitt normala liv mycket snabbare," tillade Min.
När vävnad runt ett medicinskt implantat inte läker ordentligt, kan implantatet lossna och förlora viss funktion, vilket ofta kräver korrigerande kirurgi. Detta problem, som kallas aseptisk lossning, står för cirka 20% av alla höftrevisionsoperationer och 25% av alla knärevisionsoperationer, enligt American Academy of Orthopedic Surgeons rapport från 2023. Inflammationsproblem står för ytterligare 22 % av höftrevisionerna och cirka 33 % av knärevisionerna.
Av de 3,1 miljoner höft- och knäproteser som gavs mellan 2012 och 2022 krävde nästan 236 000 korrigerande kirurgi. Med det årliga antalet höft- och knäproteser ökar, kan många människor dra nytta av implantat som bättre integreras med deras kroppar.
De skrynkliga beläggningarna kan hjälpa till att göra ett framgångsrikt implantat, men bara om storleken på spåren i beläggningarna kan kontrolleras exakt, enligt den nya studien. När spåren i beläggningen är cirka 2 mikrometer breda, börjar mänskliga celler sträckas ut och bilda fingerliknande bihang för att fästa vid spåren, som är mer än 10 gånger mindre än bencellerna.
När cellerna känner sig runt sin omgivning sätter de också på genetiska switchar som stimulerar utvecklingen till mogna benceller eller immunceller som minskar inflammation. När bredden på beläggningens spår är mindre än en mikrometer sträcker sig inte cellerna. Som ett resultat utvecklas benceller långsammare, och immunceller utlöses för att bekämpa främmande kroppar och orsaka inflammation.
"Genom att gå från nano- till mikroskalan kan vi rikta vävnadscellerna till förmån för ett framgångsrikt implantat", säger Mohammad Asadi Tokmedash, doktorand i kemiteknik och studiens första författare.
Forskarnas nya beläggningstillverkningsmetod gör att de kan kontrollera storleken på spåren. De lägger först det keramiska materialet på ett ark av polystyren lager för lager.
När keramiken är tillräckligt tjock värmer forskarna polystyrenskivan, vilket får den att krympa. Den fästa keramiken krymper med polystyrenen, men den spricker och deformeras också eftersom den är mindre flexibel än polystyrenen. De resulterande sprickorna och böjningarna blir spåren som cellerna hakar fast i, och storleken på spåren styrs av tjockleken på de keramiska skikten som läggs ovanpå polystyrenskivan innan den värms upp.
Det finns en nackdel med att utelämna mindre spår i nanoskala från beläggningen – de är bättre på att förhindra patogena bakterier från att fästa vid den genom att skapa en grov, taggig yta som skadar bakteriers cellmembran. Större, mikroskaliga spår kan vara idealiska för mänskliga celler att haka fast i, men de ger också gott om utrymme för bakterier att gömma sig i och växa på beläggningarna.
Eftersom infektion är en annan viktig orsak till implantatfel, arbetar teamet för närvarande på en metod som gör det möjligt för deras beläggningar att döda bakterier samtidigt som de ger säkra handtag för mänskliga celler att fästa vid. Framtida experiment kommer att testa deras idé. Beläggningarna studerades vid Michigan Center for Materials Characterization.
Mer information: Mohammad Asadi Tokmedash et al., Designer Micro-/Nanocrumpled MXene Multilayer Coatings accelererar osteogenes och reglerar makrofagpolarisation, ACS-tillämpade material och gränssnitt (2024). DOI:10.1021/acsami.3c18158
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av University of Michigan College of Engineering
