vrijdag 3 maart 2023
Een bal, een zadel of een platte plaat. De kromming van biomaterialen remt of stimuleert botcellen om nieuw weefsel aan te maken. Dat laten ingenieurs van de TU Delft zien in een onderzoek dat vandaag in Nature Communications verschijnt. Deze studie van geometrieën kan een belangrijke stap zijn in het onderzoek naar herstel van beschadigde weefsels.
Het onderzoek stond onder supervisie van hoogleraar Biomaterialen en Weefselbiomechanica prof. dr. Amir Zadpoor (TU Delft) en sluit aan bij het wetenschappelijke programma Medical Delta Regenerative Medicine 4D: Generating complex tissues with stem cells and printing technology, waarvan Zadpoor een van de Scientific Leaders is.
Levende cellen kunnen de geometrie van hun omgeving waarnemen en reageren erop. "Cellen voelen en reageren op de geometrie van de oppervlakken waaraan ze worden blootgesteld. Afhankelijk van hun kromming kunnen oppervlakken cellen aanmoedigen om nieuw weefsel aan te maken of hen ervan weerhouden dat te doen," zegt Zadpoor. "Stimulerende krommingen, die gemaakt zijn door een 3D-printer, zijn een gemakkelijke en veilige manier om weefselgroei te bevorderen. Vergeleken met bijvoorbeeld medicijnen zijn ze ook veel goedkoper."
In petrischalen lieten de onderzoekers botcellen groeien, omgeven door kleine vormpjes gemaakt van biomateriaal waarmee de onderzoekers ervaring hebben. Afhankelijk van de krommingen in de vormpjes, hadden de cellen de neiging om op verschillende manieren te groeien, zich te delen en weefsel te vormen.
Cellen houden van een zadelvorm
Hoewel krommingen in oneindig veel variaties lijken te bestaan, vallen ze altijd grofweg in een van deze drie categorieën: een bal heeft een bolle kromming, een zadel een holle kromming en een plaat is plat. Een van de auteurs, universitair docent Biomaterialen dr. ir. Lidy Fratila-Apachitei: ‘Cellen geven de voorkeur aan een zadelvorm. Als ze een zadelvorm in de buurt waarnemen, wordt de groei gestimuleerd. Uit de studie blijkt ook dat cellen dalen verkiezen boven heuvels.’
Liever languit dan gebogen
Binnen het onderzoek was eerste auteur dr. Sebastien Callens verantwoordelijk voor de experimenten en de analyse. ‘Cellen hebben ook een skelet, dat bestaat uit vezels die meer of minder op spanning staan. Hoe de spanning zich opbouwt in die vezels, beïnvloedt het gedrag van cellen sterk. Uit onze studie blijkt dat cellen hun spanningsvezels collectief afstemmen op de krommingen die ze ervaren, zodat ze zo min mogelijk hoeven te buigen. Ik kon zien dat cellen liever languit uitlijnen dan buigen.’
Budget aan zadelkromming
Je kunt niet alleen zadelvormige krommingen rond cellen hebben. Zoals de drie hoeken van een driehoek altijd samen 180 graden bedraagt, moet ook de som van alle krommingen gelijk zijn aan enkele fundamentele getallen. ‘Je hebt altijd een beperkt budget aan zadelvormen,’ zegt Zadpoor. ‘Als je ergens te veel negatieve kromming gebruikt, moet je ergens anders positieve krommingen gebruiken om de som constant te houden. Je moet je budget aan zadelkrommingen verstandig gebruiken om maximale weefselregeneratie te stimuleren.’
Nieuwe biomaterialen
De studie biedt een leidraad voor de optimale geometrie van biomaterialen en implantaten om de weefselregeneratie te maximaliseren. De benodigde complexe geometrische ontwerpen worden maken met zeer nauwkeurige 3D-printtechnieken gemaakt, om de vormen zo klein te maken dat ze voor cellen waarneembaar zijn. Callens: ‘We hebben nu nieuwe spelregels ontdekt waarmee biomaterialen weefselgroei kunnen stimuleren. In vervolgonderzoek gaan we proberen die regels optimaal toe te passen.’
Meer informatie
Lees hier het nieuwsbericht van TU Delft
Lees hier de publicatie in Nature Communications
Luister hier een item van BNR Nieuwsradio over dit onderzoek terug
