Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

Het menselijk skelet is een wonder van techniek, waarbij een balans wordt gevonden tussen de noodzaak om sterk genoeg te zijn om ons gewicht te dragen en de noodzaak om licht genoeg te zijn om te kunnen bewegen. Wanneer bot verloren gaat door letsel of ziekte, wenden artsen zich vaak tot implantaten om het te vervangen. Decennialang waren de beste materialen voor deze vervangingen metalen zoals titanium of keramiek zoals zirconia, gekozen vanwege hun ongelooflijke sterkte en hun vermogen om in het lichaam te overleven zonder te corroderen. Deze materialen hebben echter een aanzienlijk nadeel: ze zijn veel dichter en stijver dan natuurlijk bot. Deze mismatch kan ervoor zorgen dat het omliggende bot in de loop van de tijd verzwakt, vergelijkbaar met een zware laars die de zachte grond eronder verplettert. Aan de andere kant zijn materialen die de chemische samenstelling van bot nabootsen, zoals calciumfosfaat, uitstekend in het stimuleren van de groei van nieuw weefsel, maar ze zijn vaak te bros om zware belastingen te weerstaan. De uitdaging voor wetenschappers is geweest om een materiaal te creëren dat zowel sterk genoeg is om gewicht te dragen als licht genoeg om het bot dat het vervangt te evenaren, terwijl het ook in complexe structuren gevormd kan worden die passen bij de unieke anatomie van een patiënt.

Een team onderzoekers van de NOVA Universiteit Lissabon en de Universiteit van Lissabon heeft een stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type keramisch composiet te ontwikkelen met behulp van een techniek genaamd extrusie-gebaseerde 3D-printtechniek. In plaats van te proberen één enkel materiaal te printen, mengden ze twee verschillende componenten tot een dikke, pasta-achtige inkt. De eerste component was 3YSZ, een taai, hitte-gestabiliseerd type zirconia dat bekend staat om zijn duurzaamheid in tandheelkundige en medische toepassingen. De tweede was calciumfosfaat, een stof die chemisch vergelijkbaar is met de mineralen die in menselijke tanden en botten worden gevonden, en die bekend staat om het helpen van het lichaam bij de integratie met een implantaat. Door deze pasta's laag voor laag te printen en vervolgens te bakken in een oven met hoge temperatuur, creëerde het team cilindrische structuren die de sterkte van de zirconia combineerden met het botvriendelijke karakter van het calciumfosfaat.

De onderzoekers ontdekten dat het simpelweg toevoegen van het calciumfosfaat aan de zirconia-pasta een diepgaand effect had op het eindproduct. Zuivere zirconia-keramieken zijn extreem dicht en wegen meer dan 3,5 gram per kubieke centimeter, wat veel zwaarder is dan natuurlijk bot. Echter, door tussen de 30 en 45 procent calciumfosfaat aan het mengsel toe te voegen, slaagde het team erin de dichtheid van de geprinte objecten te verlagen naar een bereik van 2,2 tot 2,5 gram per kubieke centimeter. Deze nieuwe dichtheid ligt opmerkelijk dicht bij die van natuurlijk corticaal bot, waardoor het gewichtsprobleem effectief werd opgelost zonder de structurele integriteit van het materiaal op te offeren. Om te garanderen dat het materiaal soepel geprint kon worden, testte het team ook het toevoegen van grafiet aan het mengsel, wat fungeerde als een tijdelijke placeholder die tijdens het verhittingsproces wegbrandde, waardoor kleine poriën ontstonden die het gewicht verder verminderden.

Naast het veranderen van het gewicht, onderzocht het team zorgvuldig wat er op microscopisch niveau met de materialen gebeurde tijdens het verhitten. Ze ontdekten dat de zirconia zelfs na verhitting tot temperaturen van 1450 graden Celsius zijn sterkste, meest stabiele kristalstructuur behield. Tegelijkertijd transformeerde het calciumfosfaat in specifieke fasen die bekend staan als hydroxyapatiet en bèta-tricalciumfosfaat, de exacte mineralen die het lichaam gebruikt om nieuw bot op te bouwen. Deze duaal-fase structuur betekende dat het uiteindelijke object niet slechts een mengsel van twee poeders was, maar een samenhangend materiaal waarbij de taaie zirconia een skelet bood waaraan het bioactieve calciumfosfaat kon hechten. De onderzoekers bevestigden deze veranderingen met behulp van geavanceerde beeldvorming en lichtverstrooiingstechnieken, waarmee werd geverifieerd dat het materiaal stabiel bleef en niet afbrak in zwakkere vormen tijdens het productieproces.

De echte test voor elk botvervangingsmateriaal is of het de fysieke krachten van het lichaam kan weerstaan en of levende cellen het zullen accepteren. Wanneer de onderzoekers de sterkte van hun best presterende monsters testten, die 35 procent calciumfosfaat bevatten, ontdekten zij dat deze een compressiekracht van 180 megapascal konden weerstaan. Dit niveau van sterkte valt midden in het bereik van natuurlijk menselijk bot, wat bewijst dat het materiaal robuust genoeg is voor belastende toepassingen. Bovendien, toen de onderzoekers menselijke fibroblasten, een type zacht weefselcel, op de geprinte schijven plaatsten, groeiden en gedijden de cellen net zo goed op het nieuwe materiaal als op standaard plastic laboratoriumschaaltjes. Dit suggereert dat het materiaal niet toxisch is voor levend weefsel en een vriendelijk oppervlak biedt waaraan cellen zich kunnen hechten, wat een cruciale eerste stap is voor elk implantaat dat hoopt te integreren met het lichaam.

Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, merken de onderzoekers op dat dit een voorlopige stap is. De monsters die zij creëerden waren solide cilinders, terwijl echte botscaffolds vaak hol moeten zijn of gevuld moeten worden met een netwerk van gaatjes om door bloedvaten te laten groeien. Ze observeerden ook dat monsters met zeer hoge hoeveelheden calciumfosfaat te fragiel werden om te hanteren, wat aangeeft dat er een limiet is aan hoeveel van het botachtige materiaal toegevoegd kan worden voordat de structuur zijn sterkte verliest. Het team concludeerde dat hun methode erin geslaagde een lichtgewicht, sterk en biologisch vriendelijk keramisch composiet te creëren, maar dat toekomstig werk zich moet richten op het verfijnen van de interne architectuur van deze structuren en het testen ervan met botvormende cellen en in levende dieren om te zien of ze werkelijk bot kunnen regenereren in een klinische setting.