Onderzoekers van Tampere University hebben een nieuw keramisch implantaat ontwikkeld dat sterk lijkt op menselijk bot en met behulp van 3D-printtechnologie op maat kan worden geproduceerd. De technologie moet in de toekomst bijdragen aan gepersonaliseerde behandelingen voor patiënten met botdefecten en mogelijk een alternatief bieden voor traditionele bottransplantaties.
De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Materials Today Bio. Volgens de onderzoekers vormt het werk een belangrijke stap richting betaalbare en patiëntspecifieke implantaten voor botregeneratie.
Alternatief voor bottransplantaties
Bottransplantatie is wereldwijd na bloedtransfusie de meest uitgevoerde vorm van weefseltransplantatie. Jaarlijks vinden meer dan twee miljoen ingrepen plaats. Daarbij wordt vaak botweefsel van de patiënt zelf of van een donor gebruikt. Die methoden hebben echter beperkingen, zoals beperkte beschikbaarheid, extra operaties en langere hersteltijden.
Met de vergrijzing neemt de behoefte aan nieuwe behandelopties snel toe. Onderzoekers zoeken daarom naar materialen die het lichaam kunnen ondersteunen bij het zelf herstellen van beschadigd bot.
Het Finse onderzoeksteam gebruikte hydroxyapatiet als basis voor het implantaatmateriaal. Dat mineraal vormt van nature een belangrijk onderdeel van menselijk bot. Door dit materiaal via keramische 3D-printtechnologie te verwerken, konden de onderzoekers structuren maken die de eigenschappen van echt bot benaderen.
Volgens onderzoeker Antonia Ressler maakt deze aanpak het mogelijk implantaten nauwkeurig af te stemmen op de specifieke botafwijking van een patiënt. Daarbij zijn geen groeifactoren of medicijnen nodig die mogelijk bijwerkingen veroorzaken.
3D-geprint maatwerk
Voor de productie gebruikten de onderzoekers een geavanceerde techniek waarbij keramische materialen laag voor laag worden opgebouwd. Daarmee konden zij niet alleen de vorm van het implantaat bepalen, maar ook de interne structuur nauwkeurig sturen.
Vooral de poriën in het materiaal blijken cruciaal. Die zorgen ervoor dat cellen het implantaat kunnen binnendringen en voedingsstoffen zich door het materiaal kunnen verspreiden. Het onderzoeksteam identificeerde een optimale structuur met poriën van ongeveer 400 micrometer en een porositeit van circa 45 procent.
Volgens de onderzoekers ontstaat daarmee een balans tussen stevigheid en biologische functionaliteit. De structuur biedt voldoende mechanische sterkte, terwijl botvormende cellen zich tegelijkertijd goed kunnen hechten en nieuw botweefsel kunnen aanmaken.
Daarnaast ontdekten de onderzoekers dat ook de chemische samenstelling en oppervlakte-eigenschappen van invloed zijn op het gedrag van menselijke cellen. Hoge temperaturen tijdens het productieproces kunnen het oppervlak van het materiaal zodanig veranderen dat cellen zich minder goed hechten.
Die bevinding benadrukt volgens het team dat niet alleen de samenstelling van biomaterialen belangrijk is, maar ook de manier waarop het oppervlak wordt behandeld.
Individueel afgestemd
Het onderzoek maakt deel uit van het vierjarige project AffordBoneS. Inmiddels werken de onderzoekers in een vervolgproject, GlassBoneS, aan verdere ontwikkeling van de technologie. Volgens de onderzoekers behoort hun studie tot de eerste die systematisch botachtige keramische implantaten ontwerpt, 3D-print en biologisch evalueert. Daarmee ontstaat een basis voor toekomstige toepassingen binnen de gepersonaliseerde geneeskunde.
De verwachting is dat implantaten in de toekomst volledig kunnen worden afgestemd op individuele patiënten, in plaats van gebruik te maken van standaardoplossingen. Artsen zouden op termijn implantaten kunnen ontwerpen die exact aansluiten op de vorm en eigenschappen van een specifiek botdefect.
Beschikbaar binnen 10 jaar
Hoewel de technologie zich nog in de onderzoeksfase bevindt, verwachten de onderzoekers dat patiëntspecifieke implantaten binnen tien jaar onderdeel kunnen worden van reguliere behandelingen voor botregeneratie.
Het uiteindelijke doel is volgens het onderzoeksteam om betaalbare implantaten beschikbaar te maken voor een bredere groep patiënten. Daarmee zouden niet alleen behandelresultaten verbeteren, maar mogelijk ook de toegankelijkheid van geavanceerde botreconstructies toenemen.
De onderzoekers zien vooral kansen bij complexe botdefecten, waarbij traditionele transplantaties onvoldoende uitkomst bieden of gepaard gaan met extra complicaties. Dankzij 3D-printtechnologie kunnen implantaten dan nauwkeuriger worden afgestemd op de anatomie van individuele patiënten.
Keramische inkt
In 2021 werkten Australische wetenschappers aan een technologie waarmee botstructuren rechtstreeks in het lichaam kunnen worden geprint via 3D-bioprinting. Hiervoor ontwikkelden zij een speciale keramische inkt die op kamertemperatuur kan worden gebruikt en geschikt is voor levende cellen. De technologie moet in de toekomst helpen bij het herstellen van grote botdefecten, bijvoorbeeld na een ongeval of ziekte.
Anders dan bestaande 3D-geprinte implantaten, die buiten het lichaam worden gemaakt en later operatief worden geplaatst, richt deze methode zich op direct printen in het lichaam. De onderzoekers hebben al kleine botstructuren geprint in een bad met levende cellen en bereiden proeven op dieren voor. Daarnaast kan de technologie worden ingezet voor onderzoek naar botziekten en het testen van nieuwe medicijnen.
