Een onderzoeksgroep van de TU werkt, als enige in Nederland, aan een veelbelovende nieuwe generatie metalen implantaten. Daarmee wordt het veel gemakkelijker om gecompliceerde botbreuken te genezen.
Implantaten die gebroken of versleten botten moeten repareren, zijn relatief saai. Artsen kunnen er niet veel meer mee doen dan ze in het lichaam plaatsen, wachten tot het bot hersteld is en ze dan weer verwijderen. Onderzoekers bij de biomaterials technology group van de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen (3mE) werken aan een nieuwe generatie implantaten die veel meer kunnen.
Implantaten bijvoorbeeld die vanzelf verdwijnen als ze hun werk hebben gedaan. “Elke operatie brengt het risico op infecties mee”, zegt dr.ir. Jurek Duszczyk, hoofd van de groep. “Infecties die heel ernstig kunnen zijn, soms zelfs levensbedreigend. Als je de implantaten niet meer hoeft te verwijderen, verminder je het aantal operaties met de helft.”
Er wordt daarom onderzoek gedaan naar implantaten die langzaam oplossen in het lichaam. De meeste zijn gemaakt van biologisch oplosbare plastics. Maar Duszczyk en zijn team kiezen voor een heel ander type materiaal: oplosbare metalen die van nature in het menselijk lichaam voorkomen, zoals magnesium en ijzer.
Het gebruik hiervan heeft volgens Duszczyk twee voordelen. Ten eerste komen de gekozen metalen – in tegenstelling tot plastics – van nature in het lichaam voor. Daarnaast kunnen met metalen sterkere implantaten worden gemaakt dan met plastics. “We kunnen legeringen maken met dezelfde mechanische eigenschappen als menselijk bot”, aldus Duszczyk.
Menukaart
Om de oplosbare metalen implantaten te kunnen maken, beschikt de onderzoeksgroep in Delft over een uitgebreid laboratorium. Behalve prototypes van schroeven, plaatjes en andere typen implantaten om beschadigde botten te herstellen, kunnen zij hier ook stents produceren. Dit zijn flexibele buisjes die veel worden gebruikt in de cardiovasculaire chirurgie. De onderzoekers fabriceren de implantaten op een bijzondere manier. De basis is los metaalpoeder. Met een ingewikkelde reeks stappen mixen ze de verschillende poeders van een legering, maken er een solide massa van en trekken en duwen deze vervolgens in de juiste vorm.
“We werken met poeders omdat we dan controle hebben over de porositeit van de implantaten”, vertelt dr. Jie Zhou, die zich binnen de groep bezig houdt met het maken van legeringen en prototypes. Door poriën aan te brengen, kun je de mechanische eigenschappen van de implantaten variëren. Maar ook kunnen dankzij die poriën bot en ander weefsel het implantaat ingroeien. Terwijl het implantaat oplost, nemen bot en weefsel de ruimte in. “Reguliere metalen implantaten worden gegoten. Je kunt hier nauwelijks poriën in aanbrengen. Je kunt er achteraf wel gaten in boren maar het effect is niet hetzelfde”, lacht Zhou.
Zhou focust op het ontwerp van implantaten met verschillende mechanische eigenschappen en degradeersnelheden. Hij doet dit onder meer door te kijken naar de eigenschappen van diverse soorten legeringen. Hij legt uit: “We werken vooral met magnesium, ijzer en titanium. Magnesium en ijzer lossen allebei op in het menselijk lichaam, maar met andere snelheden. Magnesium lost heel snel op, dus is het de kunst om er een legering mee te maken die langzamer oplost. Terwijl ijzer juist langzaam oplost, hetgeen je een beetje wilt versnellen. Titanium ten slotte is geschikt voor permanente implantaten. Ons doel is om meer inzicht en controle te krijgen over de snelheid waarmee de implantaten oplossen. Zodat we uiteindelijk een soort menukaart kunnen aanbieden van verscheidene legeringen met ieder een eigen degradatiesnelheid, die geschikt zijn voor uiteenlopende medische situaties.”
Medicijnen
De ambities van de groep gaan verder dan alleen implantaten met een degradatiesnelheid op maat maken. Aan de poreuze, van metaalpoeders gemaakte implantaten kunnen bioactieve stoffen worden toegevoegd: stoffen die de botgroei bevorderen, maar ook pijnstillers of medicijnen die ontstekingen tegengaan. Door medicinale stoffen in het implantaat te mengen, kunnen deze langzaam over de tijd vrijkomen. En precies op de goede plek.
Stoffen die snel na het implanteren vrij moeten komen, worden in een coatinglaag verwerkt. Dr.ir. Iulian Apachitei brengt dan een laag van minuscule putjes aan op de implantaten, veel kleiner dan de andere poriën in het implantaat. Hierin kan hij bijvoorbeeld nanodeeltjes met antibacteriële eigenschappen stoppen. Door de grootte van de putjes te variëren, kan hij meerdere soorten coatings aanbrengen. Ook kan hij zo de snelheid waarmee de stoffen uit de coating vrijkomen, beheersen.
Welke bioactieve stoffen er aan de implantaten worden toegevoegd, onderzoekt dr. ir. Lidy Fratila-Apachitei. “We onderhouden nauwe contacten met artsen van verschillende ziekenhuizen”, zegt ze. “Zij weten welke complicaties en ziektes optreden na implantatie. Ik ontwerp de drug delivery pathway, de beste manier waarop de medicinale stoffen kunnen vrijkomen.”
Natuurlijk wordt ook het effect van het toevoegen van bioactieve stoffen getest. Fratila-Apachitei, die als enige lid van de groep een biomedische achtergrond heeft, coördineert die tests. “Voor een deel voeren we ze zelf uit”, vertelt ze. “In ons lab kunnen we allerlei in vitro tests doen om bijvoorbeeld te kijken hoe snel de stoffen vrijkomen en hoe snel een implantaat verzwakt. We stellen de implantaten daarbij bloot aan vloeistof die de condities in het menselijke lichaam nabootst, zogenoemde simulated body fluids. Verder werken we samen met laboratoria van het Erasmus Medisch Centrum en het AMC in Amsterdam. Daar testen ze het effect van de implantaten en coatings met behulp van menselijke cellen.”
Het werk van de groep is veelbelovend. Het lukt al goed om de oplossnelheid van de implantaten te manipuleren. En ook het aanbrengen van bioactieve coatings werkt aardig. Hun publicatie in Acta Biomaterialia toont aan dat het aanbrengen van nanodeeltjes van zilver, dat bekend staat op zijn antibacteriële eigenschappen, goed werkt tegen de beruchte ziekenhuisbacterie MSRA. Bij een titaniumimplantaat waarop de minuscule zilverdeeltjes waren aangebracht gingen, in het lab, alle aanwezige MSRA bacteriën binnen 24 uur dood. Terwijl bij een controle-implantaat zonder zilverdeeltjes het aantal bacteriën in dezelfde tijdsperiode duizend keer zo groot werd.
China en Rusland
Toch duurt het nog even voor de zelfoplosbare en medicijnbevattende implantaten ook echt in ziekenhuizen gebruikt worden. “Ik gok dat de eerste klinische trials over zo’n vijf jaar zullen plaatsvinden”, zegt Fratila-Apachitei. “Eerst moeten we de effecten van de implantaten op cellen weefsels uitvoerig bestuderen. Zowel in vitro, in het lab, als in vivo, met dierproeven.” Duszczyk voegt toe: “De Amerikaanse Food and Drug Administration en het Europese Geneesmiddelen Agentschap, die gaan over het toelaten van nieuwe producten op de medische markt, hanteren een hele strenge regelgeving. Voorlopig is een van onze belangrijkste doelen daarom: zo veel mogelijk statistische data verzamelen.”
Hoewel de samenwerking met de Nederlandse ziekenhuizen erg belangrijk is voor de onderzoeksgroep, zoeken ze ook contact met instituten in het buitenland. Een belangrijk samenwerkingsverband werd een jaar geleden gelegd met het Shanghai Institute of Ceramics, onderdeel van de Chinese Academy of Sciences. Duszczyk: “Voormalig rector Jacob Fokkema heeft gezorgd voor een memorandum of understanding op het gebied van biomateriaaltechnologie tussen het Shanghai Institute of Ceramics en de TU. Mensen denken soms laatdunkend over China. Maar ze hebben daar tegenwoordig laboratoria die zich kunnen meten met de beste ter wereld.”
Terwijl de biomaterials groep van de TU sterk is op het vlak van metallurgie, bezit het Shanghai Institute uitgebreide labs voor in vitro en in vivo tests. Als onderdeel van de samenwerking is een onderzoeker van het Shanghai Institute naar Delft gekomen, waar hij nu werkt aan de ontwikkeling van magnesium implantaten. Nieuw ontwikkelde implantaten worden vervolgens naar Shanghai gestuurd om er tests mee te doen. “Deze samenwerking en uitwisseling van kennis heeft in een jaar tijd al tot drie wetenschappelijke publicaties geleid”, vertelt Duszczyk. Inmiddels zijn er soortgelijke contacten met Engineering Medical Center van MATI Russian State Technology University in Moskou. De groep wil graag meer onderzoek doen naar het effect van de nieuwe implantaten in het lichaam om de toelating tot de markt te versnellen. Ook hopen ze meer studenten te krijgen die bij de groep onderzoek willen doen.
Daarnaast hopen ze op een eigen bio-lab willen waarin met levend celmateriaal mag worden gewerkt. Duszczyk: “Sander Leeflang, die verantwoordelijk is voor onze laboratoria, is op dit moment druk bezig zo’n lab op te bouwen. Er zijn nogal wat regels als je met levend materiaal wilt werken.” De groep wil niet alleen met levende cellen willen werken, maar ook met proefdieren. Fratila-Apachitei heeft voorgesteld om kleine poederdeeltjes van de implantaten in zebravissen te bestuderen, een bekend modeldier uit de biologie. Zelf doet ze bescheiden over dit projectvoorstel, en merkt op dat het nog onzeker is of het wordt gehonoreerd. “Vast wel!” roept Duszczyk. “Iedereen die het voorstel tot nu toe gelezen heeft reageerde enthousiast.”
De TBS (Turk bij het Station) is voorgoed gesloten. Geen nachtelijke snacks meer en geen bewaakte fietsenstalling tot diep in de nacht. De vogel die hier het laatste koude patatje van de straat pikt, beseft het waarschijnlijk nog niet.
Comments are closed.