Stapje dichter bij slimme implantaten

Botten en pezen verschillen enorm van elkaar. Botten zijn hard en stijf, terwijl pezen juist zacht en flexibel zijn. Toch gaat in het menselijk lichaam het weefsel van de stijve botstructuur over een zeer korte afstand over naar dat van de flexibele pees zonder daarbij aan sterkte of duurzaamheid in te leveren.

Wetenschappers proberen al jaren deze opmerkelijke natuurlijke verbinding na te bootsen, omdat een betere imitatie hiervan grote medische voordelen kan opleveren. Aandoeningen aan het bewegingsapparaat behoren wereldwijd tot de belangrijkste oorzaken van beperkingen. Verbeterde methoden om harde en zachte weefsels met elkaar te verbinden kunnen bijvoorbeeld bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe implantaten.

Helaas bleek die geleidelijke maar compacte overgang bijzonder lastig om na te bootsen. ‘Aandoeningen aan het bewegingsapparaat behoren wereldwijd tot de belangrijkste oorzaken van beperkingen’ zegt universitair hoofddocent Mohammad J. Mirzaali. ‘Verbeterde methoden om harde en zachte weefsels met elkaar te verbinden kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe implantaten en strategieën voor weefsel-engineering.’

Metamaterialen

Om biologische structuren na te bootsen, maken onderzoekers steeds vaker gebruik van metamaterialen. Dat zijn speciaal ontworpen materialen waarvan de eigenschappen vooral worden bepaald door hun interne structuur. Plaatvormige metamaterialen bestaan bijvoorbeeld uit doorlopende oppervlakken en zijn geschikt voor stijve constructies en voor de integratie van botcellen. Staafvormige metamaterialen bestaan uit onderling verbonden balkjes en bootsen de eigenschappen van zacht weefsel beter na.

‘Het combineren van deze twee metamaterialen is een grote technische uitdaging’, legt Jianxing Yang uit, een van de eerste auteurs van de studie. ‘Wanneer je deze materialen direct met elkaar verbindt, ontstaan er vaak zwakke plekken die snel breken. De voor de hand liggende oplossing is een geleidelijke overgang van de ene structuur naar de andere, maar dan wordt de overgangszone veel langer dan de compacte bot-peesverbinding die we in het menselijk lichaam zien.’

Slimme implantaten

Om dit probleem op te lossen ontwikkelde het TU Delft-team een algoritme dat bepaalt welke plaat- en staafvormige structuren goed op elkaar aansluiten en hoe ze optimaal kunnen worden verbonden. De methode stemt de geometrieën van beide structuren op elkaar af en voegt een speciale overgangscel toe die kenmerken van beide architecturen combineert. Daardoor ontstaat geen abrupte grens tussen de structuren, maar een korte en geleidelijke overgang die de overgang tussen bot- en peesachtige structuren nabootst.

De onderzoekers testten hun aanpak door verschillende ontwerpen te 3D-printen en mechanisch te belasten. De experimenten bevestigden dat de berekende overgangsstructuren een mechanisch robuuste verbinding tussen de verschillende metamaterialen kunnen vormen.

In vervolgonderzoek bestuderen de onderzoekers hoe levende cellen reageren op deze hybride structuren. Ze willen achterhalen of zulke architectonische overgangen de vorming van verschillende weefseltypen kunnen sturen, net zoals de natuurlijke overgang tussen bot en pees dat doet.

Op termijn kan dit onderzoek bijdragen aan de ontwikkeling van slimme implantaten en weefselconstructen die niet alleen mechanisch beter aansluiten bij het menselijk lichaam, maar ook actief de biologische reactie van het lichaam ondersteunen.