TU Delft bootst bot-peesverbinding na met metamaterialen

Onderzoekers van de TU Delft hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de natuurlijke overgang tussen bot en pees na te bootsen met behulp van 3D-geprinte metamaterialen. Een algoritme maakt het mogelijk twee verschillende materiaalstructuren zo met elkaar te verbinden dat een sterke, compacte overgang ontstaat. De technologie kan op termijn bijdragen aan de ontwikkeling van implantaten en weefselconstructen die beter aansluiten bij de mechanische eigenschappen van het menselijk lichaam.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications. De onderzoekers tonen aan dat hun methode niet alleen mechanisch sterke verbindingen oplevert, maar ook structuren waarmee de overgang tussen harde en zachte weefsels kan worden nagebootst. De resultaten zijn voorlopig vooral relevant voor materiaalontwikkeling en biomechanisch onderzoek. Toepassing bij patiënten is nog niet aan de orde.

Uitdaging: harde en zachte weefsels

Botten en pezen hebben sterk uiteenlopende eigenschappen. Botweefsel is relatief hard en stijf, terwijl pezen flexibel zijn en trekkrachten kunnen opvangen. Toch zijn beide in het menselijk lichaam verbonden via een bijzonder korte overgangszone, waarin de mechanische eigenschappen geleidelijk veranderen. Het nabootsen van deze verbinding vormt een belangrijke uitdaging binnen de regeneratieve geneeskunde en implantaatontwikkeling. Wanneer materialen met sterk verschillende stijfheden rechtstreeks aan elkaar worden gekoppeld, kunnen spanningsconcentraties ontstaan. Daardoor neemt het risico op beschadiging of breuk toe.

Een geleidelijke overgang kan deze problemen verminderen, maar neemt doorgaans relatief veel ruimte in beslag. Dat maakt dergelijke ontwerpen minder geschikt voor toepassingen waarbij de beschikbare ruimte beperkt is, zoals bij de aanhechting van een pees aan bot. Volgens universitair hoofddocent Mohammad J. Mirzaali kunnen verbeterde verbindingen tussen harde en zachte weefsels bijdragen aan nieuwe implantaten en strategieën voor tissue engineering. Aandoeningen van het bewegingsapparaat behoren wereldwijd tot de belangrijkste oorzaken van lichamelijke beperkingen.

Algoritme combineert twee structuren

De onderzoekers maakten gebruik van mechanische metamaterialen. Dit zijn kunstmatig ontworpen materialen waarvan de eigenschappen grotendeels worden bepaald door hun interne geometrie, in plaats van uitsluitend door de samenstelling van het materiaal. Het onderzoek richt zich op twee soorten poreuze structuren. De eerste bestaat uit doorlopende, gebogen oppervlakken, ook wel triply periodic minimal surface (TPMS)-structuren genoemd. Deze kunnen een relatief stijve, samenhangende architectuur vormen.

De tweede categorie bestaat uit onderling verbonden staafjes. Deze structuren bieden meer mogelijkheden om de richtingafhankelijke mechanische eigenschappen van zachtere weefsels na te bootsen. Het combineren van beide architecturen is ingewikkeld. Een directe verbinding kan zwakke plekken veroorzaken, terwijl conventionele overgangsstructuren vaak te lang worden. Het team ontwikkelde daarom een algoritmische ontwerpmethode waarmee geschikte combinaties worden geselecteerd en de geometrie van de verbinding wordt geoptimaliseerd. Een speciaal ontworpen overgangscel combineert kenmerken van beide structuren.

Hierdoor kunnen de mechanische eigenschappen over een relatief korte afstand veranderen, zonder dat een abrupte grens tussen beide materiaaltypen ontstaat. De onderzoekers vervaardigden verschillende ontwerpen met 3D-printtechnologie en onderzochten hun mechanische prestaties. De experimenten en simulaties lieten zien dat de hybride structuren sterke verbindingen kunnen vormen en tegelijkertijd de vervormbaarheid en vormaanpassing kunnen verbeteren.

Implantaten die beter aansluiten

Een belangrijke toepassing die de onderzoekers onderzochten, is het nabootsen van de bot-peesverbinding. Hiervoor ontwikkelden zij een hybride structuur met verschillende zones, geïnspireerd op de natuurlijke overgang van bot via vezelig kraakbeen naar pees. Het ontwerp houdt rekening met zowel de verschillen in stijfheid als de uiteenlopende geometrie van beide weefsels. Uit de mechanische tests blijkt dat de overgangsstructuur belastingen anders kan verdelen dan een conventionele verbinding tussen twee materiaalarchitecturen.

Daarnaast onderzochten de wetenschappers hoe hybride structuren zich kunnen aanpassen aan een ondergrond waarvan de exacte vorm moeilijk vooraf te bepalen is. Dat is relevant voor implantaten, omdat anatomische structuren per patiënt verschillen. De nieuwe ontwerpen combineren de mechanische voordelen van stijvere structuren met een betere mogelijkheid om aan te sluiten op complexe vormen.

Biologische werking nog niet bewezen

Hoewel de mechanische resultaten veelbelovend zijn, is nog niet vastgesteld hoe levende cellen op de nieuwe structuren reageren. De onderzoekers willen daarom bestuderen hoe de geometrie van de hybride metamaterialen invloed heeft op celhechting, celgroei en differentiatie. Daarbij is vooral de vraag of verschillende zones binnen één construct de ontwikkeling van verschillende weefseltypen kunnen ondersteunen.

Volgens hoogleraar Amir A. Zadpoor kan dat inzicht belangrijk zijn voor het ontwikkelen van structuren die niet alleen mechanisch functioneren, maar ook de gewenste biologische reactie stimuleren. Daarmee bevindt de technologie zich nog in een vroege onderzoeksfase. De huidige studie toont de mechanische mogelijkheden aan, maar levert nog geen bewijs voor succesvolle weefselregeneratie of betere klinische behandelresultaten. Op langere termijn zou de methode kunnen bijdragen aan patiëntspecifieke implantaten en regeneratieve toepassingen waarbij harde en zachte weefsels duurzaam met elkaar moeten worden verbonden.