Biomedische 3D-geprinte implantaten met geïntegreerde kraakbeencellen

Het Zwitserse onderzoeksinstituut Empa maakt gebruik van cellulose verkregen uit hout voor het maken van implantaten voor kraakbeenziekten. Cellulose is een biologisch afbreekbaar materiaal en Empa wil met behulp van een 3D-printer extra functies zoals menselijke cellen toevoegen aan het materiaal, om op die manier biomedische implantaten te produceren.

Het onderzoek begon allemaal met een oor. Empa-onderzoeker Michael Hausmann verwijdert het object in de vorm van een menselijk oor van de 3D-printer en legt uit (zie bovenstaande foto): “In viskeuze toestand kunnen nanokristallen van cellulose gemakkelijk samen met andere biopolymeren worden gevormd tot complexe driedimensionale structuren met behulp van een 3D-printer, zoals de Bioplotter.” Eenmaal verbonden blijven de structuren stabiel ondanks hun zachte mechanische eigenschappen. Hausmann onderzoekt momenteel de kenmerken van de nanocellulose-composiet-hydrogels om hun stabiliteit en het printproces verder te optimaliseren. De onderzoeker gebruikte al röntgenanalyse om te bepalen hoe cellulose wordt gedistribueerd en georganiseerd binnen de geprinte structuren.

Menselijke cellen

Op dit moment is het geprinte oor volledig en uitsluitend gemaakt van cellulose en een biopolymeer. Het doel is echter om menselijke cellen in de basisstructuur op te nemen om biomedische implantaten te produceren. Een nieuw project is momenteel aan de gang en onderzoekt hoe kraakbeencellen kunnen worden geïntegreerd in het skelet om kunstmatig kraakbeenweefsel op te leveren. Op den duur moet het onderzoek er voor zorgen dat er implantaten geprint kunnen worden, zoals bijvoorbeeld oren voor kinderen met een geërfde auriculaire misvorming, zoals in microtia, waar de externe oren slechts onvolledig zijn ontwikkeld. Een reconstructie van de oorschelp kan de misvorming esthetisch en medisch corrigeren. In het verdere verloop van het project zullen nanokristallen van cellulose-nanodeeltjes die hydrogelen bevatten ook worden gebruikt voor de vervanging van gewrichtskraakbeen (bijvoorbeeld knie) in gevallen van gewrichtsslijtage als gevolg van, bijvoorbeeld, chronische artritis.

Meerdere functies

Nadat het kunstmatige weefsel in het lichaam is geïmplanteerd, wordt verwacht dat het biologisch afbreekbare polymeermateriaal in de loop van de tijd zal degraderen. De cellulose zelf is niet afbreekbaar in het lichaam, maar biocompatibel. Het is echter niet alleen de biocompatibiliteit die cellulose het perfecte materiaal maakt voor implantaten. “Het is ook de mechanische prestatie van nanokristallen van cellulose die hen geschikt maken, omdat de uiterst kleine maar zeer stabiele vezels het geproduceerde implantaat uitzonderlijk goed kunnen versterken,” zei Hausmann. Bovendien maakt cellulose de opname mogelijk van verschillende functies door chemische modificaties in de viskeuze hydrogel. Zo kunnen de structuur, de mechanische eigenschappen en de interacties van de cellulose met zijn omgeving specifiek op het gewenste eindproduct worden afgestemd. “We kunnen bijvoorbeeld werkzame stoffen opnemen die de groei van kraakbeen bevorderen of die gewrichtsontsteking verzachten. En last but not least, als grondstof is cellulose het meest voorkomende natuurlijke polymeer op aarde. Daarom profiteert het gebruik van nanokristallen van cellulose niet alleen van de elegantie van het nieuwe proces, maar ook van de beschikbaarheid van de grondstof”, zegt de Empa-onderzoeker.