Tilsetning av salt gir bedre vekstvilkår for bein

Å lage et beinimplantat som er sterkt nok til å gi et godt fundament for kjevebeinet er utfordrende. Tilsetter man en klype salt i den keramiske massen når man lager beinimplantatet, så skaper det bedre vekstvilkår for beinet.

Bildet kan inneholde: person, ansikt, hår, smil, erme.

Foto: Marie Lindeman Johansen OD/UiO

Avdeling for biomaterialer forsker vi bl. a. på bruk av titandioksid, TiO2, i vekststillaser, forteller Anne Klemm. Hun og flere ph.d.-kandidater har bidratt til flere av avdelingens forskningsprosjekter på beinimplantater. Hennes del av arbeidet fokuserte  på å utvikle porøse vekststillaser for så å forbedre og forsterke vekststillasene for trykkfasthet og korrosjon.

Tap av tenner reduserer kjevebeinet

Bakgrunnen er at tap av tenner bidrar til at kjevebeinet brytes ned. Kjevebeinet mister sin funksjon som er å støtte tennene og det fører til at beinet gradvis forsvinner. Det kan derfor være vanskelig å få satt inn tannimplantater og få dem til å feste seg i kjevebeinet når tannimplantatene utsettes for trykkmotstand som tygging. Vekststillaser er en type beinimplantat som kan brukes for å støtte opp beinet og bidra til at beinet i kjeven regenererer seg. Dette skaper et bedre fundament for tannimplantatene som erstatter tennene man har mistet. Dermed tåler tannimplantatene trykkmotstanden bedre, og faren for at de skal løsne reduseres.

– I min studie prøvde vi å tilsette en keramisk blanding med ulike salter og så utforsket vi dannelsen av krystaller og innflytelsen det hadde på materialets fasthetsegenskaper, utdyper hun.

– Hva slags materiale er titandioksid?

– Titandioksid er en type keramisk materiale. Det er i seg selv et massivt materiale, men brukt som vekststillas, så er det mulig å lage det så porøst at bein skal være i stand til vokse inn og feste seg i stillaset. Selve vekststillaset består av 10% titandioksid og 90% luft. Det er et beinimplantat som skal kunne brukes på pasienter som har mistet tenner p.g.a. en svikt i kjevebenet, slik at beinet skal kunne regenerere seg og vokse, og for å gjøre det mulig, må materialet være svært porøst.

– I begynnelsen av arbeidet med avhandlingen min viste vi at vi kunne forbedre trykkmotstanden i vekststillaset, men så utførte vi også korrosjonstest og vi så at den også økte. Derfor måtte vi studere dannelsen av krystaller og produksjonsprosessen  for å forandre dette og til slutt hadde vi også et vekststillas som også var motstandsdyktig mot nedbrytning. 

Salt forsterker materialet

– Vi bruker bare vanlig keramisk titandioksid pulver, forklarer Anne Klemm. Pulveret blander vi med vann så vi får en masse for å kunne lage vekststillaset og i min studie tilsatte vi en veldig liten mengde salt og det forandret materialet.

– Det keramiske materialet vokser og dannes til et fast materiale når du lager vekststillaset og de siste mekaniske trykkfaste egenskapene blir også til. Når vi tilsetter salt så endrer vi de mekaniske egenskapene som danner seg når vi lager vekststillaset. Skal materialet kunne brukes må det f. eks. kunne tåle tyggemotstand når man setter implantatet inn i kjevebeinet.

– Saltet påvirker krystalliseringen. Mellom krystallene dannes bittesmå krystaller i det vi kaller korngrenseområdet. Denne kjemiske prosessen endrer materialets egenskaper til å bli mer trykkfast. Endringen gir betydelig innflytelse på vekststillasets mekaniske egenskaper for å tåle motstand. Saltet mellom krystallene i vekststillaset bidro til å øke motstanden på en måte som ligner naturlig bein og dessuten tålte det syreangrep.

– Om du setter inn et implantat i munnen til en pasient så skjer et fall i pH-verdien i regenereringsfasen, forklarer hun videre. Fallet kan forårsake korrosjon i vekststillaset og det kan bidra til å redusere evnen til å tåle motstand. Vår modifikasjon av materialet tålte høyere motstand og dessuten så vi ingen tegn til korrosjon. Det var stabilt over en periode på fire uker.

Illustrasjon av utsnitt fra et porøst veksstillas.
3D utsnitt av et vekststillas av titandioksid. Illustrasjon: Hanna Tiainen, OD/UiO

Studerte krystalliseringsprosessen

– Hva var nytt i arbeidet ditt?

– Vi fant krystalliseringsprosessen i det trykkfaste materialet. Vi har jobbet med vekststillaser over lang tid her på Universitetet i Oslo, men det som var nytt, og som vi gjorde for første gang, var at det var mulig å skjære ut en veldig liten del av det krystalliserte materialet i vekststillaset. Det gjorde oss i stand til å utforske formasjonen av krystalliseringen, det hadde ikke vært mulig tidligere.

Vi kunne bevise at når vi tilsetter salt så oppstår det en krystalliseringsprosess i et veldig lite område, da oppstår det en korngrense. Mens vi har en helt formløs masse uten en krystalliseringsprosess når vi ikke tilsetter salt. Alle de andre testene ga mer eller mindre samme resultater, men dette var nytt.

Det var veldig fint å jobbe med denne modifikasjonen ettersom den var forskjellig fra de andre metodene vi hadde brukt for å lage vekststillaser tidligere. Alt annet var likt: replika metoden for å lage vekststillaset, men når vi tilsatte saltet så fikk vi et annet resultat enn tidligere.

Jeg tror det beste med studien er at den var så enkel, sier Anne. Vi tilsatte kun litt salt i den keramiske blandingen, vi forenklet produksjonstiden og vi forenklet produksjonsforløpet.

– Ble vekststillasene satt inn i kjevebein på pasienter?

– Min del av studien foregikk på laboratoriet, vi testet materialet der, så nei, så langt har man ikke kommet ennå.

Sterkt og porøst vekststillas

For å kunne se de veldig tynne lagene vi tok fra krystalliseringen brukte vi transmission electron microscope eller overføringselektronmikroskopi. Men det tok veldig lang tid å få resultater, jeg tror jeg tilbragte hele det første året med å få til en prøve. Han som jobbet med ph.d-avhandling før meg hadde lagt ned mye energi i et lignende arbeid og jeg kunne lære av hans feil. Mange har bidratt til studien min, sier Anne.

Kombinasjonen av krystalliseringsprosessen og optimaliseringen av stillasprosessen er det viktigste bidraget med forskningen min. Vi har fått til et sterkt vekststillas og det er samtidig svært porøst.

Jo mer porøst det er, jo mindre er motstanden og man trenger begge deler for regenerering av bein i vekststillaset og det er den største utfordringen. Vi fikk til å øke porøsiteten (90 %) og vi økte samtidig trykkmotstanden. Vi fikk dermed til en god balanse for begge egenskapene ved materialet vi utviklet, avslutter hun.

Referanse

Coagulated concentrated anatase slurry leads to improved strength of ceramic TiO2 bone scaffolds
Klemm, Anne ; Tiainen, Hanna
Ceramics international, 2018-04-15, Vol.44 (6), p.6265-6271

Grain boundary corrosion in TiO2 bone scaffolds doped with group II cations
Klemm A, Gomez-Florit M, Carvalho PA, Wachendörfer M, Gomes ME, Haugen HJ, Tiainen H
Journal of the European Ceramic Society, 2019, 39, 1577-1585.

 

Av Kari Øverby
Publisert 27. apr. 2021 14:22 - Sist endret 27. apr. 2021 14:23