Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

Wanneer een bot slecht breekt, moeten artsen vaak het ontbrekende deel vervangen door een scaffold, een tijdelijk driedimensionaal raamwerk dat nieuw botgestel begeleidt bij de groei. Om dit te laten werken, moet de scaffold meer zijn dan alleen een hol kooitje; het moet sterk genoeg zijn om gewicht te dragen, poreus genoeg om bloedvaten en voedingsstoffen door te laten stromen, en chemisch actief genoeg om cellen aan te moedigen nieuw weefsel op te bouwen. De natuur heeft dit probleem al opgelost in de schilden van kreeftachtigen en de schubben van vissen, waar lagen materiaal in een spiraalpatroon zijn gedraaid om structuren te creëren die zowel taai als flexibel zijn. Wetenschappers noemen dit de Bouligand-structuur. De uitdaging voor ingenieurs is om dit natuurlijke ontwerp na te bootsen op een manier die het menselijk bot nabootst zonder te stijf te zijn, wat het omliggende bot kan verzwakken en doen oplossen, of te zwak om het lichaam te ondersteunen.

Een team onderzoekers aan het Vellore Institute of Technology in India zette zich het doel om een nieuw type botscaffold te ontwerpen en te bouwen dat deze spiraalvormige architectuur combineert met een speciale mengeling van materialen. Ze wilden een structuur creëren die niet alleen gewicht ondersteunt, maar ook kleine elektrische signalen genereert wanneer het wordt samengedrukt, een eigenschap die bekend staat als piëzoelektriciteit. In het menselijk lichaam produceert natuurlijk bot deze elektrische signalen wanneer het gewicht draagt, en deze signalen helpen botcellen de instructie te geven om te groeien en zichzelf te herstellen. Om dit te bereiken, mengden de onderzoekers een botachtig keramiek genaamd hydroxyapatiet met een piëzo-elektrisch keramiek genaamd bariumtitaan en een piepklein beetje geleidend koolstofmateriaal bekend als grafeen. Ze gebruikten computersimulaties om duizenden verschillende combinaties van deze materialen en verschillende niveaus van porositeit te testen, op zoek naar de perfecte balans waarbij de scaffold sterk is, vloeistof doorlaat en precies de juiste hoeveelheid elektriciteit genereert om het bot te laten helen.

De onderzoekers begonnen met het modelleren van minuscule kubussen van hun materiaalmengsel om te voorspellen hoe de verschillende ingrediënten samen zouden reageren. Ze ontdekten dat het toevoegen van bariumtitaan het materiaal stijver en elektrisch actiever maakte, terwijl grafeen hielp om de elektrische lading efficiënter te geleiden. Ze ontdekten echter ook dat te veel van het piëzo-elektrische materiaal schadelijk kon zijn voor cellen, dus het vinden van de juiste hoeveelheid was cruciaal. Ze schaalden deze bevindingen vervolgens op om volledige scaffolds te ontwerpen met een spiraalvormige, gelaagde structuur. Met behulp van geavanceerde computermodellering simuleerden ze hoe deze scaffolds met druk omgaan en hoe water door hun poriën zou stromen. De simulaties toonden aan dat een scaffold met 70 procent vast materiaal en 30 procent lege ruimte de beste balans bood. Dit specifieke ontwerp, gemaakt van een mengsel van 90 procent hydroxyapatiet, 9,9 procent bariumtitaan en 0,1 procent grafeen, kwam overeen met de stijfheid van dicht menselijk bot en genereerde een elektrisch signaal binnen het veilige, gunstige bereik voor botgroei.

Zodra het computerontwerp definitief was, verhuisde het team naar het laboratorium om het te bouwen. Ze mengden de keramische poeders met een vloeibare binder om een dikke pasta te maken, vergelijkbaar met een zware klei, die ze in een 3D-printer laadden. De printer werkte als een precisie-lijmpistool, waarbij dunne strengen van de pasta laag voor laag werd uitgeslagen. De onderzoekers moesten de printsnelheid en de druk waarmee de pasta naar buiten werd geduwd zorgvuldig afstemmen, om ervoor te zorgen dat de strengen hun vorm behielden zonder in te storten of te veel uit te spreiden. Ze testten verschillende concentraties van de binder om de één te vinden die de strengen direct na het printen stevig liet staan. Met de juiste instellingen slaagden ze erin de complexe spiraalstructuur te printen, waardoor een solide object ontstond met een netwerk van kleine, verbonden gaatjes die er doorheen lopen.

Het eindproduct was een kleine, witte, poreuze cilinder die leek op een miniatuur honingraat, maar met een gedraaid, gelaagd intern patroon. Wanneer de onderzoekers het geprinte object onder een microscoop bekeken, bevestigden ze dat de verschillende materialen gelijkmatig waren gemengd en dat de strengen sterk en uniform waren. De computermodellen hadden voorspeld dat dit specifieke ontwerp vloeistof zou laten stromen met een snelheid die vergelijkbaar is met die van natuurlijk menselijk bot, en de fysieke structuur bevestigde dit potentieel. De studie toont aan dat door het spiraalontwerp van de natuur te kopiëren en specifieke materialen zorgvuldig te mengen, het mogelijk is om een scaffold te creëren die mechanisch compatibel is met het menselijk lichaam en in staat is om botgroei te stimuleren via elektrische signalen. Hoewel de onderzoekers opmerken dat verdere tests in levende systemen nodig zijn om te bevestigen hoe goed deze scaffolds in een lichaam werken, markeert het succesvolle ontwerp en de fabricage van deze structuur een belangrijke stap naar het creëren van betere, effectievere behandelingen voor ernstige botletsels.