Internationale samenwerking tussen materiaalkunde en geneeskunde ontwikkelt gelpatches van een 3D-printer die afzonderlijk kunnen worden geactiveerd.
Bloedsomloopstoornissen, diabetes of langdurig in dezelfde houding liggen kunnen allemaal leiden tot chronische wonden die niet genezen. Er zijn nauwelijks effectieve behandelingsopties. Een materiaal wetenschappelijk onderzoeksteam van de Kiel University (CAU) heeft samen met collega’s van het Universitair Medisch Centrum Schleswig-Holstein (UKSH), de Harvard Medical School, VS en de Dankook University in Zuid-Korea een wondpleister ontwikkeld met verbeterde helende functies die voor elke patiënt individueel kan worden aangepast. De 3D-geprinte pleister heeft antibacteriële eigenschappen, voorziet de wond van zuurstof en vocht en ondersteunt de vorming van nieuw weefsel. De eigenschappen worden geactiveerd en gecontroleerd door bestraling. De wetenschappers uit de materiaalkunde en geneeskunde presenteerden hun concept onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials, waar het op de voorpagina stond.
De basis van de nieuw ontwikkelde pleister is een medische hydrogel. Vanwege het hoog watergehalte van 90 procent en de relatief grote afstand op microschaal, kan de pleister optimale zorg bieden voor chronische droge wonden. Het belangrijkste bestanddeel zijn antibacteriële zinkoxide-microdeeltjes die reageren op licht en die ontwikkeld zijn door de materiaal wetenschappelijke onderzoekers in Kiel. Samen met een team van het Brigham and Women’s Hospital van de Harvard Medical School, Boston, vonden ze een manier om speciale eiwitten op de microdeeltjes aan te brengen. Deze eiwitten worden geactiveerd met cel vriendelijk groen licht en stimuleren daardoor de vorming van nieuwe bloedvaten. Door de verbeterde bloedcirculatie ontstaat nieuw weefsel, waardoor de wond zich kan sluiten.
Klinieken moeten op termijn zelf individuele patches kunnen maken met een 3D-printer.
“Door de effecten van de pleister met licht te beheersen, kunnen we het verloop en de dosering van de behandeling aanpassen aan de individuele behoeften van patiënten”, zegt Rainer Adelung, hoogleraar functionele nanomaterialen aan het Institute for Materials Science aan de Universiteit van Kiel en woordvoerder van de Onderzoek Trainingsgroep “Materialen voor hersenen”. Materiaalwetenschap noemt dit een ‘slim’ materiaal, dat onafhankelijk reageert op externe prikkels en daardoor kan worden aangestuurd. Er bestaan al soortgelijke functionerende hydrogelpleisters, die ook gericht kunnen worden geactiveerd – maar hun therapeutische effecten worden geactiveerd door warmte of elektrische signalen. “Deze concepten hebben echter het nadeel dat de wond ook opwarmt en de hydrogels beginnen te desintegreren”, legt Adelung uit.
Het onderzoeksteam hoopt dat klinieken op de lange termijn hun multifunctionele, bestuurbare patches zelf kunnen produceren met behulp van een 3D-printer, en de patches direct op patiënten kunnen activeren met zeer heldere, groene LED’s. “De vorm van de pleister, evenals de concentratie van de zinkoxidedeeltjes en het type eiwit kunnen individueel worden aangepast door middel van 3D-printen”, zegt hoofdauteur Dr. Leonard Siebert, die net zijn doctoraat op innovatieve 3D-printmethoden heeft afgerond aan de Universiteit van Kiel. Tijdens een onderzoeksverblijf van enkele maanden aan de gerenommeerde Harvard Medical School in Boston deed de wetenschapper onderzoek in de werkgroep van professor Su Ryon Shin, die met speciale biologische 3D-printers medische hydrogels maakt. “Onze deeltjes hebben een tetrapodale vorm, dwz ze bestaan uit verschillende ‘armen’. Dit betekent dat veel van onze belangrijke eiwitten erop kunnen worden aangebracht, maar ze passen niet door conventionele printnozzles”, zei Siebert om één van de uitdagingen te beschrijven van hun aanpak. In Boston ontwikkelde hij uiteindelijk een methode om samen met de hydrogels de zinkoxidedeeltjes uit zijn Kiel-werkgroep te printen.
Testresultaten uit Kiel, de VS en Zuid-Korea tonen het potentieel van de pleister voor gepersonaliseerde geneeskunde.
Daarnaast werkten de materiaal wetenschappers van Kiel nauw samen met professor Helmut Fickenscher, specialist infectie geneeskunde aan de CAU en het Universitair Medisch Centrum Schleswig-Holstein (UKSH). Hij en zijn team testten de antibacteriële eigenschappen van de pleister: ze zetten hem 72 uur op een bacteriële biofilm en ontdekten dat de bacteriën zich niet vermenigvuldigen binnen een straal van enkele millimeters rond de pleister. “Voor deze test gebruikten we twee typische wondkiemen met twee totaal verschillende structuren: Staphylococcus aureus en Pseudomonas aeruginosa. De pleister vertoonde een therapeutisch effect voor beide fundamentele typen, wat een universeel effect suggereert”, vatte Dr. Gregor Maschkowitz, medisch microbioloog bij de UKSH. Verdere in vivo tests werden uitgevoerd in het NBM Global Research Center for Regenerative Medicine aan de Dankook University, Zuid-Korea. De eerste resultaten daar wijzen ook op een goede verdraagbaarheid van de pleister en verbeterde wondgenezing.
“Deze patch is een opwindend concept voor gepersonaliseerde geneeskunde, om mensen met aangepaste behandelingen zo precies, effectief en voorzichtig mogelijk te behandelen. Het is een tastbaar voorbeeld van het veelbelovend potentieel van samenwerking tussen geneeskunde en materiaalkunde, dat steeds belangrijker zal worden in de toekomst”, zegt professor Fickenscher over het interdisciplinaire samenwerkingsproject. Nu de eerste tests hebben uitgewezen dat hun concept in principe goed werkt, willen de onderzoekers de sturing met licht nog verder verbeteren, zodat patiënten in de toekomst een nog effectievere gepersonaliseerde wondbehandeling kunnen krijgen.
Vertaling Andre Teirlinck