Patrick Marx
Bot kapot, 3D-printer aan, botcellen erbij en opereren maar. Met deze methode kunnen mensen met een botbreuk die niet geneest geholpen worden. Onderzoekers van de Universiteit Maastricht perfectioneren de productie van geprinte botimplantaten die meer en meer op echt bot lijken. Ze printen viskeuze mengsels van polymeren en mineralen die lichaamseigen cellen de plek geven om weer uit te groeien tot nieuw bot.
Jaarlijks breken 80 duizend Nederlanders een bot en van al die breuken willen er een paar duizend niet genezen. Vaak is een flink gat in het bot de oorzaak. De afstand is in zulke gevallen gewoon te groot voor het lichaam om te overbruggen. Bottransplantaties lukken niet altijd waarna amputatie dreigt. Onderzoekers van het MERLN Institute for Technology-Inspired Regenerative Medicine van de Universiteit Maastricht zoeken naar een betere oplossing.
Gradiënt
Bot is een poreus materiaal dat bestaat uit zachte (structuur)eiwitten (35%), harde calciummineralen (40%) en water (25%). Calciumfosfaat, in de vorm van hydroxyapatiet, is het belangrijkste mineraal. Wat het verder lastig maakt is dat bot niet homogeen is. De sterkst belaste delen zijn compacter dan de delen die minder belast worden, terwijl er ook nog zachte delen aan bot zitten, zoals pezen en kraakbeen. Een overgang van zacht naar hard is niet abrupt, maar verloopt in een gradiënt. Een 3D-printer die in één keer een gradiënt van zachte polymeren en hard hydroxyapatiet print en daarbij ook nog microstructuren aanbrengt, bestond nog niet.
‘Traditionele 3D-printers printen laagje na laagje waarbij meerdere printkoppen voor een stapsgewijze gradiënt zorgen’, zegt onderzoeksleider Carlos Mota van MERLN. ‘Deze aanpak heeft een nadeel: zodra een grote kracht op het geprinte materiaal staat, kunnen de laagjes van elkaar af schuiven. Onze, met een continue gradiënt geprinte implantaten, verdragen 50% meer druk.’
Mota en zijn collega’s ontwikkelden een printkop die gebruik maakt van de in het lichaam afbreekbare polymeren, gemengd met hydroxyapatiet nanodeeltjes (45% m/m). De printkop bevat twee reservoirs waaruit de te printen materialen stromen om ze vervolgens te mengen tot de gewenste gradiënt. Het temperatuurmanagement was een grote uitdaging tijdens het ontwerp. Het lukte de onderzoekers om de temperatuur in de hele printkop zo te controleren dat ze grip houden op de viscositeit van het gesmolten polymeer/hydroxyapatiet mengsel.
De printkop bewerkt tijdens het printen de oppervlaktestructuur van het materiaal. Mota: ‘Botcellen die in het implantaat moeten groeien, hebben houvast nodig waarvoor we het oppervlak ruw maken met behulp van een plasma jet. Voorheen gebeurde dit achteraf, maar met een plasma kun je dan nooit meer alle hoeken en poriën in het botimplantaat bereiken. Nu lukt dit wel.’
Eerste tests
De Maastrichtse onderzoekers toonden tijdens preklinisch onderzoek aan dat hun aanpak werkt. Cellen groeien inderdaad in de implantaten. Bovendien lukte het botjes te printen met een dichtheidsgradiënt. Tijdens een dierproef bleken cellen keurig het implantaat te bevolken en uiteindelijk in echt bot om te zetten. ‘We testen de belastbaarheid van onze implantaten nog. Een volgende stap in ons onderzoek is het printen van een gradiënt van harde naar zachte overgangen, zoals die van bot naar kraakbeen of pees.’
Als al het preklinische onderzoek goed verloopt, wil Mota de implantaten bij mensen testen. ‘Daarbij implanteren we het geprinte implantaat tussen de uiteinden van het bot. Cellen groeien dan vanuit het bot in het implantaat. Het is ook mogelijk om vooraf cellen bij de patiënt te isoleren en te kweken om daarmee het implantaat in te zaaien. Deze stap is nog verder weg want daarvoor moeten we aan nog strengere regels voldoen.’ Het onderzoek van Mota en zijn collega’s maakt onderdeel uit van een samenwerking tussen MERLN en artsen van het Maastricht UMC+. Dit ziekenhuis specialiseert zich in de zorg voor mensen met niet genezende botbreuken. Zo ontvingen ze vorig jaar de eerste patiënten een traditioneel, zonder continue gradiënt, geprint botimplantaat. Mota hoopt met zijn techniek deze zorg verder te perfectioneren.
