Een nieuwe manier om botvervangende materialen te maken waarmee cellen rondom en binnenin kunnen groeien, is ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Birmingham.
Het team heeft een nieuwe aanpak gehanteerd, chemobrionics genaamd, waarbij chemische componenten bestuurbaar worden aangestuurd om op specifieke manieren samen te reageren, waardoor de zelfassemblage van ingewikkelde bio-geïnspireerde structuren mogelijk wordt.
Wetenschappers hebben deze levensechte ‘chemische tuinen’ honderden jaren geleden voor het eerst waargenomen, maar door de recente hernieuwde belangstelling op het gebied van chemobrionica hebben onderzoekers deze technieken gebruikt om nieuwe materialen op micro- en nanoschaal te ontwerpen.
De onderzoekers van Birmingham wilden onderzoeken of chemobrionica ook kunnen worden ingezet voor biotechnologische toepassingen.
Hoofdauteur Erik Hughes, van de School of Chemical Engineering aan de Universiteit van Birmingham, legt uit: “We wilden onderzoeken of chemobrionica kunnen worden gebruikt om architecturen te vormen die chemisch en structureel vergelijkbaar zijn met menselijk bot. Zodra een methode voor het genereren van dergelijke structuren is vastgesteld, is de natuurlijke volgende stap vooruit om te evalueren of chemobrionische materialen ideale kaders kunnen bieden voor botregeneratie. ”
Het team gebruikte een met calcium beladen gel onder een fosfaatoplossing en slaagde erin lange holle buizen van hydroxyapatietmateriaal op microschaal te kweken dat qua samenstelling vergelijkbaar is met natuurlijk bot. Hydroxyapatiet wordt gewoonlijk gebruikt als een botvervangend materiaal, maar het wordt meestal vervaardigd als een poeder of als een hard blok, dat vervolgens moet worden gevormd met verdere verwerking.
De individuele structuren die door het team van Birmingham worden gekweekt, zijn ongeveer zo dik als een lok van mensenhaar. Deze buizen hebben onderscheidende kenmerken, waaronder poreuze oppervlakken die interacties met cellen bevorderen. Gepubliceerd in RSC Biomaterials Science, toont de studie de gelijkenis van de buizen aan veel van de structuren in botweefsel, zoals osteonen – lange cilindrische kanalen in het bot die bloedvaten huisvesten.
“We kunnen veel voorbeelden vinden van chemobrionische principes die in de natuur werken”, legt Erik uit. “Op de oceaanbodem zien we bijvoorbeeld hete mineraalrijke vloeistoffen uitgestoten door hydrothermische ventilatieopeningen die reageren met het koele zeewater om schoorsteenachtige structuren te vormen. We benutten dezelfde mechanismen om deze nieuwe structuren te maken voor toepassingen in regeneratieve geneeskunde. ”
Het team heeft het vermogen van de buizen getest om celhechting, levensvatbaarheid en groei in het laboratorium met behulp van stamcellen te ondersteunen. Ze waren in staat om een uitgebreide verspreiding van de cellen op en zich binnen de buizen na slechts 48 uur te vertonen, hetgeen op gunstige cel-materiaal interacties duidde.
“Het gebruik van chemobrionica om materialen te produceren die biocompatibel zijn, is een relatief nieuwe aanpak, maar we zijn erg enthousiast over het potentieel”, zegt co-eerste auteur Miruna Chipara, die ook is gevestigd in de School of Chemical Engineering aan de Universiteit van Birmingham. “In het bijzonder betekent de manier waarop deze structuren cellulaire integratie bevorderen dat ze op grote schaal nuttig kunnen zijn voor botregeneratie”.
De volgende stappen voor de onderzoekers omvatten het uitvoeren van verdere tests om de eigenschappen van de buisvormige materialen aan te tonen en hoe deze kunnen worden gemodificeerd om weefselregeneratie te verbeteren. De onderzoekers hopen dat hun werk zal leiden tot de ontwikkeling van een nieuwe klasse chemobrionische botvervangende materialen.
Persbericht Universiteit van Birmingham