Naadloze implantaten tussen bot en pees een stap dichterbij

Bot en pees kunnen nauwelijks verder van elkaar af staan. Bot is hard en stijf; pees is zacht en rekbaar. Toch verbindt het lichaam de twee zo goed dat die overgang zelden bezwijkt. Ingenieurs proberen al decennia die verbinding na te bootsen, bijvoorbeeld voor betere implantaten. Nu zijn onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) een flinke stap dichterbij gekomen. Ze ontwikkelden 3D-geprinte structuren die over een heel korte afstand overgaan van botachtig naar peesachtig.

“Aandoeningen aan het bewegingsapparaat behoren wereldwijd tot de belangrijkste oorzaken van beperkingen”, zegt universitair hoofddocent Mohammad J. Mirzaali. “Verbeterde methoden om harde en zachte weefsels met elkaar te verbinden kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe implantaten en strategieën voor weefsel-engineering.”

De oplossing: een bouwsteen die aan beide kanten past

De aanpak draait om een nieuwe overgangscel die twee soorten metamaterialen verbindt: materialen waarvan het gedrag wordt bepaald door hun interne architectuur, niet door waar ze van gemaakt zijn. Het ene type, opgebouwd uit gladde, gekromde wanden, is stijf en sterk en goed geschikt voor botcellen. Het andere type, een netwerk van dunne staafjes, kan flexibel worden gemaakt, net als pees.

Die twee combineren dwong tot nu toe tot een slecht compromis. Een directe verbinding levert een zwakke naad op, terwijl een geleidelijke overgang veel meer ruimte inneemt dan de compacte verbinding in het lichaam. Het Delftse team omzeilde beide problemen. De onderzoekers vonden vormen met gekromde wanden waarvan de verbindingspunten op precies dezelfde plekken zitten als bij veelgebruikte staafroosters, en gebruikten die als een soort ‘tweeling’ die ertussen past. Hun algoritme lijnt de twee structuren op elkaar uit en voltooit de overgang binnen één bouwsteen van een paar millimeter groot.

Klaar om te printen, eenvoudig af te stellen

De methode is gemaakt voor de praktijk. Software zet elk ontwerp direct om in een bestand voor een 3D-printer, en ontwerpers kunnen de stijfheid van de overgangscel naar wens instellen. De code is samen met het artikel gepubliceerd, zodat andere onderzoekers er meteen mee aan de slag kunnen.

Het ontwerp is bovendien robuust. Het team drukte, rekte, draaide en boog de geprinte hybrides, en belastte sommige ervan tot wel een miljoen keer. De verbindingen hielden stand: toen de structuren uiteindelijk bezweken, braken ze in de afzonderlijke delen, niet bij de naad. Een demonstratiemodel van een bot-peesverbinding varieerde van begin tot eind met een factor 37 tot 84 in stijfheid. Dat ligt dicht bij de 26- tot 71-voudige verandering in echte overgangen tussen bot en pees.

Volgende stap: het lichaam helpen zichzelf te herstellen

De onderzoekers kweken nu levende cellen op de hybride structuren. Zadpoor legt uit dat ze willen begrijpen hoe de geometrie beïnvloedt hoe cellen zich hechten, groeien en specialiseren. Als vorm alleen al cellen kan sturen om aan de ene kant bot en aan de andere kant pees te worden, kunnen toekomstige implantaten meer dan alleen de mechanica van het lichaam nabootsen: ze kunnen het lichaam actief helpen genezen. De huidige prototypes zijn van kunststof en nog een eind verwijderd van gebruik bij patiënten, maar de blauwdruk ligt er.

Naast toepassingen in de zorg kan dezelfde methode ingenieurs ook helpen bij het ontwerpen van lichtgewicht onderdelen voor auto’s en vliegtuigen, waar stijve en buigzame materialen eveneens samenkomen.