ENGINEERINGNET.BE - Meta-biomaterialen zijn materialen waarvan de eigenschappen worden bepaald door hun interne architectuur, om structuren te maken met nauwkeurig afgestemde mechanische, morfologische en massatransporteigenschappen.
Juist in de biomedische techniek is dat van grote waarde. Materialen moeten daar beschadigd weefsel vervangen, en ook samenwerken met cellen en de vorming van nieuw weefsel ondersteunen.
Maar meta-biomaterialen brengen ook een fundamentele uitdaging met zich mee. “Als we één eigenschap veranderen, veranderen er meestal meerdere andere eigenschappen”, aldus universitair hoofddocent Mohammad J. Mirzaali van TU Delft.
Dit is het gevolg van fundamentele natuurkundige relaties tussen eigenschappen van het materiaal. Daardoor is het vaak lastig vast te stellen welke eigenschap verantwoordelijk is voor een bepaalde biologische of mechanische reactie.
Een stijver scaffold, ofwel een 3D-structuur waarop cellen kunnen groeien, vereist bijvoorbeeld vaak aanpassingen in poriegrootte, doorlaatbaarheid of oppervlak.
Als cellen dan anders reageren, is het moeilijk te bepalen welke verandering daarvoor verantwoordelijk is. Onderzoekers vergelijken daardoor vaak materialen die op meerdere punten van elkaar verschillen.
Daarom ontwikkelde promovendus Ebrahim Yarali een computergestuurd ontwerpraamwerk waarmee eigenschappen die normaal gesproken met elkaar verbonden zijn, van elkaar los te koppelen.
De onderzoekers verkenden een ontwerpruimte met bijna 45.000 computersimulaties. Door diverse methoden te combineren, zochten zij naar architecturen waarin specifieke eigenschappen konden worden aangepast, terwijl andere eigenschappen vrijwel gelijk bleven.
Daarbij slaagde het team erin om eigenschappen, zoals relatieve dichtheid en de Poisson-verhouding, onafhankelijk van elkaar te variëren. Die laatste eigenschap beschrijft hoe een materiaal vervormt als het wordt uitgerekt of samengedrukt.
Om de voorspellingen te toetsen, produceerden de onderzoekers geoptimaliseerde ontwerpen met geavanceerde 3D printtechnieken.
“Daarna maten we experimenteel onder meer de stijfheid, de Poisson-verhouding en de doorlaatbaarheid van de materialen”, stelt Yarali. “De resultaten kwamen sterk overeen met de voorspellingen uit de simulaties. Onze methode levert dus betrouwbare materialen op waarvan afzonderlijke eigenschappen onafhankelijk zijn af te stemmen."
Het nieuwe raamwerk biedt een belangrijk hulpmiddel om fundamentele vragen binnen het veld van biomaterialen te beantwoorden.
Doordat nu structuren kunnen worden ontworpen die op één eigenschap van elkaar verschillen, is het mogelijk om te onderzoeken hoe factoren als stijfheid, dichtheid of vervormingsgedrag de hechting, groei en ontwikkeling van cellen beïnvloeden.
Inzicht hierin is essentieel voor het ontwikkelen van materialen die vorming van nieuw weefsel kunnen sturen en herstel van beschadigd weefsel verbeteren.
