Wat zijn slimme biomaterialen (en wat kun je ermee)?

Kunstmatige hartkleppen die op den duur vanzelf door het lichaam worden opgenomen, slagaders en bloedvaten die zichzelf zonder invasieve operaties herstellen, een gel die voor botgroei zorgt: dit zijn een paar voorbeelden van toepassingen van slimme biomaterialen. Deze materialen worden waarschijnlijk steeds belangrijker bij de ontwikkeling van nieuwe medische behandelingen en technologieën. 

Wat zijn slimme biomaterialen?

Slimme biomaterialen, ook wel “smart biomaterials” genoemd, zijn materialen die kunnen reageren op veranderingen in hun directe omgeving en zich daarop aanpassen. Ze zijn revolutionair en vormen een belangrijk onderdeel in de regeneratieve geneeskunde. Ze kunnen bijvoorbeeld dienen als dragers voor geneesmiddelenafgifte, implantaten, tissue engineering of diagnostische hulpmiddelen. Door hun slimme eigenschappen kunnen ze de effectiviteit van behandelingen verbeteren en de interactie met biologische systemen optimaliseren. 

Slimme biomaterialen hebben verschillende belangrijke eigenschappen die ze uniek en nuttig maken voor biomedische toepassingen, zoals: 

• Responsiviteit: Slimme biomaterialen kunnen reageren op specifieke prikkels, zoals licht of bepaalde stoffen in hun omgeving. Hierdoor kunnen ze op een gecontroleerde manier interacteren met biologische systemen. Ze kunnen specifieke biologische functies bevorderen of remmen, bijvoorbeeld celgroei stimuleren of bacteriegroei remmen. 

• Biologische afbreekbaarheid: Slimme biomaterialen moeten in de loop van de tijd kunnen worden afgebroken door het lichaam zelf, om opeenhoping te voorkomen.  

• Biocompatibiliteit: Slimme biomaterialen moeten ‘biocompatibel’ zijn, wat betekent dat ze niet als lichaamsvreemd worden gezien, ook niet nadat ze hun functie hebben uitgevoerd en eventueel zijn afgebroken. Het lichaam heeft dus geen afweerreactie op het slimme biomateriaal. Daardoor hebben ze (ook op lange termijn) geen schadelijke effecten op levende weefsels of cellen.  

• Instelbare eigenschappen: Tijdens het ontwerp van slimme biomaterialen kunnen de specifieke eigenschappen worden afgestemd voor verschillende toepassingen. Denk bij zulke eigenschappen aan hoe stijf het materiaal is, hoe goed het water vast kan houden of doorlaten, of hoe goed het aan andere stoffen kan binden. 

Waar worden slimme biomaterialen voor gebruikt?

Slimme biomaterialen worden populairder door de groeiende belangstelling voor gepersonaliseerde geneeskunde (behandelingen gericht op de individuele behoeften van de patiënten), gentherapie en (3D-)bioprinten. Verder zouden deze slimme biomaterialen een begin kunnen zijn voor proefdiervrij onderzoek.  

Slimme biomaterialen hebben veel verschillende mogelijke toepassingen, waaronder:   

• Medicijnafgifte: Slimme biomaterialen kunnen worden gebruikt om medicijnen op specifieke plaatsen in het lichaam af te leveren. Zo kunnen bijwerkingen van medicijnen worden verminderd, en de werking verbeterd. 

• Weefselherstel (ook wel ‘tissue engineering’): Slimme biomaterialen kunnen in het lichaam helpen om beschadigde weefsels of organen te herstellen.

• Biosensoren: Slimme biomaterialen kunnen worden gebruikt om biosensoren te maken die specifieke moleculen, zoals glucose of cholesterol, in het lichaam kunnen detecteren.

• Implantaten: Slimme biomaterialen kunnen worden gebruikt om implantaten, zoals pacemakers, stents, gewrichtsprothesen en botvervangers, te maken die reageren op veranderingen in het lichaam, zoals veranderingen in temperatuur of pH.  

• Immuuntherapie: Bij sommige behandelingen van kanker worden stoffen toegediend die het immuunsysteem van de patiënt activeren. Zo kan het eigen lichaam kanker bestrijden (kanker-immunotherapie). Slimme biomaterialen kunnen worden gebruikt voor gecontroleerde en gerichte toediening van deze stoffen. 

• Cel onderzoek: Onderzoekers willen het gedrag van cellen begrijpen in specifieke situaties. In het laboratorium moeten cellen zich dus op een bepaalde manier gedragen, en dit kan worden gestimuleerd door stoffen zoals groeifactoren aan de cellen toe te voegen. Slimme biomaterialen kunnen worden gebruikt om die stoffen op de juiste plek te krijgen. 

Verschillende soorten slimme biomaterialen

Slimme biomaterialen kunnen grofweg worden ingedeeld in twee categorieën:   

• Biomaterialen die reageren op fysieke prikkels zoals temperatuur, licht, geluid, druk, luchtvochtigheid of magnetisme.  
  Zo kunnen bijvoorbeeld speciale gels worden ontwikkeld die opzwellen of samentrekken als reactie op temperatuurveranderingen (‘thermoresponsieve hydrogels’). Ook kunnen lichtgevoelige materialen worden geactiveerd door licht, waarna ze medicijnen of groeifactoren afgeven.  

• Biomaterialen die reageren op (bio)chemische prikkels zoals de pH-waarde (de zuurtegraad), enzymen of ionen.  
  Sommige biomaterialen reageren op veranderingen in de pH-waarde, die aangeeft hoe zuur een omgeving is. Deze ‘pH-responsieve’ materialen kunnen bijvoorbeeld geneesmiddelen vrijgeven als de pH-waarde van de omgeving laag wordt. Dit is vooral nuttig voor medicijnafgifte op tumorlocaties, waar de pH lager is dan in gezond weefsel. Anderzijds kunnen biomaterialen die reageren op enzymen worden gebruikt om geneesmiddelen vrij te geven als reactie op specifieke enzymen die aanwezig zijn in ziek weefsel.  

Uitdagingen en toekomst van slimme biomaterialen

In de ontwikkeling van slimme biomaterialen kunnen we veel van de natuur leren. Zo worden materialen uit natuurlijke producten zoals gelatine veel gebruikt, omdat ze biologisch afbreekbaar en biocompatibel zijn. Of bijvoorbeeld mosselen die een soort natuurlijke ‘lijm’ gebruiken waarmee ze zich vasthechten, wat als inspiratie kan dienen voor het hechten van weefsels tijdens chirurgische ingrepen of het vastzetten van implantaten of prothesen.

Maar natuurlijke materialen kennen ook nadelen. Zo zijn ze niet altijd even zuiver en kunnen ze afweerreacties veroorzaken. Daarom wordt veel onderzoek gedaan naar synthetische materialen met dezelfde eigenschappen. Bij gebruik van slimme biomaterialen is het essentieel dat ze efficiënt en veilig kunnen worden gesteriliseerd. Ook moet de verpakking en opslag ervan zo min mogelijk gevolgen hebben voor hun werkzaamheid, omdat ze worden gebruikt in medische toepassingen.   

Tot slot is het een uitdaging om ervoor te zorgen dat slimme biomaterialen na preklinische studies ook in de kliniek gebruikt kunnen worden. Zo moet rekening gehouden worden met regelgeving, productiebeperkingen zoals schaalbaarheid en de complexiteit van het materiaal, het gebruiksgemak van het materiaal, en de biocompatibliteit ervan in de loop van de tijd.   

Lees ook:

Bronnen

• Webpagina van het Smart Biomaterials Consortium over slimme biomaterialen
• Wetenschappelijk artikel van Kowalski et al. (2018) over de recente ontwikkelingen en toekomstperspectieven omtrent biomaterialen