Bioactive film helps medical implants bond with bone /pellicola Bioactive aiuta gli impianti medici a legarsi con l'osso.
Researchers at North Carolina State University have devised a technique for coating medical implants that helps them bond with surrounding bone.
The process, developed in partnership with Cambridge University and the University of Texas at San Antonio, involves coating polymer implants with a bioactive film. Testing was carried out on a polymer called polyether ether ketone, or PEEK, which is used in implants due to its similar mechanical properties to bone. PEEK itself doesn’t bond well with bone however, and this is what drove the study, published this week in Materials Science and Engineering
Previously, PEEK had been coated with hydroxyapatite (HA), a calcium phosphate that promotes osteobonding.However, the HA coating could only be applied to flat surfaces and had never been tested on an implant in a living creature.
“We can now use our technique to coat the entire surface of an implant, and testing HA-coated implants in an animal model has given us very promising results,” said Afsaneh Rabiei, a professor of mechanical and aerospace engineering at NC State.
The first step of the process involves coating the PEEK implant with a thin film of yttria-stabilised zirconia (YSZ). A layer of HA is then applied, which is heated using microwaves. During this heating, the YSZ layer acts as a shield that protects the PEEK from melting. The heat also gives the HA a crystalline structure that makes it more stable in the body, meaning that the calcium phosphate will dissolve more slowly, which promotes bonding with surrounding bone.
Testing HA coated implants in rabbits, the researchers found that 18 weeks after surgery, implants with the bioactive film had double the bone formation of non-treated PEEK. The HA-treated implants also had higher bone-to-implant contact ratios than PEEK alone.
“These results indicated an improved implant fixation in the body, decreasing the chances of loosening of the implant after surgery and the need for revision surgery to remove and replace the implant,” Rabiei said. “This improvement is due to increased regenerated bone volume around coated implants compared to uncoated PEEK.”
The researchers also assessed the durability of the implants using a technique called biomechanical push-out testing. HA-coated implants required about 40 per cent more force to dislodge.
“Whether looking at bone growth or toughness, HA-coated samples outperformed uncoated PEEK implants,” said Rabiei. “This treatment will probably increase the cost of an implant marginally, but should help minimise the need for follow-up surgeries – which means HA-treated implants will more than pay for themselves over time.”
As YSZ and HA are already in medical use, the coated implants may not require full clinical trials. According to Rabiei, the team is now looking for industry partners to help commercialise the technique.
ITALIANO
I ricercatori della North Carolina State University hanno messo a punto una tecnica per il rivestimento di impianti medici che li aiuta a legarsi con l'osso circostante.
Il processo, sviluppato in collaborazione con l'Università di Cambridge e l'Università del Texas a San Antonio, coinvolge gli impianti di polimeri di rivestimento con un film bioattivo. Il test è stato effettuato su un polimero chiamato polietere etere chetone, o PEEK, che viene utilizzato in impianti per le sue proprietà meccaniche simili alle ossa. PEEK per sé non si lega bene con l'osso però, e questo è ciò che ha spinto lo studio, pubblicato questa settimana in Scienza dei Materiali e Ingegneria
In precedenza, PEEK era stato rivestito con idrossiapatite (HA), un fosfato di calcio che promuove il legame con l'osso. Tutavia, il rivestimento HA potrebbe essere applicato solo su superfici piane e non era mai stato testato su un impianto in una creatura vivente.
"Ora possiamo usare la nostra tecnica per ricoprire l'intera superficie di un impianto, e gli impianti di test HA-rivestito in un modello animale ci ha dato risultati molto promettenti", ha detto Afsaneh rabiei, un professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso NC State.
La prima fase del processo prevede di rivestire l'impianto PEEK con un film sottile di ossido di zirconio stabilizzato con ittrio (YSZ). Uno strato di HA viene poi applicato, che viene riscaldato tramite microonde. Durante questo riscaldamento, lo strato di YSZ agisce come uno scudo che protegge il PEEK dalla fusione. Il calore dà anche a HA una struttura cristallina che rende più stabile nel corpo, il che significa che il fosfato di calcio si scioglie più lentamente, il che promuove il legame con osso circostante.
Con il test HA in impianti rivestiti in conigli, i ricercatori hanno scoperto che 18 settimane dopo l'intervento, gli impianti con il film bioattivo hanno avuto il doppio di formazione ossea del PEEK non trattato. Gli impianti HA-trattati avevano anche rapporti di contatto superiori rispetto all'osso-impianto di PEEK da solo.
"Questi risultati hanno indicato un miglioramento del fissaggio dell'impianto nel corpo, riducendo le probabilità di allentamento dell'impianto dopo l'intervento chirurgico e la necessità di revisione chirurgica per rimuovere e sostituire l'impianto", ha rabiei. "Questo miglioramento è dovuto ad un aumento del volume di osso rigenerato rivestito intorno impianti rispetto al PEEK non rivestito."
I ricercatori hanno anche valutato la durata degli impianti che utilizzano una tecnica chiamata biomeccanica test push-out. HA-rivestite con impianti necessari richiede circa il 40 per cento più forza per rimuovere.
"Sia guardando la crescita ossea o la costituzione, campioni HA-rivestite con impianti PEEK non rivestiti", ha detto Rabiei. "Questo trattamento probabilmente aumenterà il costo di un impianto marginalmente, ma dovrebbe ridurre al minimo la necessità di interventi chirurgici di follow-up - il che significa che gli impianti HA-trattati di più si ripagano per se stessi nel corso del tempo."
Come YSZ e HA sono già in uso medico, gli impianti rivestiti potrebbero non richiedere studi clinici completi. Secondo Rabiei, il gruppo è ora alla ricerca di partner del settore per aiutare a commercializzare la tecnica.
Da:
http://www.theengineer.co.uk/bioactive-film-helps-medical-implants-bond-with-bone/?cmpid=tenews_2371911
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