Bij knieproblemen ligt de oorzaak vaak bij de meniscus; de twee halve maantjes kraakbeen tussen onder- en bovenbeen. Ze fungeren (samen met het kraakbeen op het onder- en bovenbeen) als dempers bij het opvangen van krachten op het kniegewricht. Een klein scheurtje kan die functie al ernstig aantasten en een verder degenererende meniscus kan voor flinke knieproblemen zorgen.
Beeld van de twee menisci boven op het scheenbeen (tibia). Beeld: University of Washington
Herstel van een aangetaste meniscus is lastig. Het lichaam beschikt over onvoldoende reparatiemogelijkheden, met name omdat een volgroeide meniscus nauwelijks doorbloed is. De gebruikelijke behandeling van een probleemmeniscus bestaat daarom uit het simpelweg verwijderen van het aangestaste kraakbeen.
Degradeerbaar schuim
Ralf Heijkants ontwikkelde een biocompatibel, degradeerbaar polyurethaanschuim dat geschikt is om het lichaam te ondersteunen met de regeneratie van een nieuwe meniscus. Het polyurethaanschuim wordt geïmplanteerd na het verwijderen van de kapotte meniscus. Vervolgens groeit het schuim vol met cellen die zich uiteindelijk omzetten tot meniscusachtig weefsel. Tijdens dit proces lost het schuim geleidelijk op met als resultaat dat er uiteindelijk een nieuwe meniscus is gevormd zonder dat er lichaamsvreemd materiaal achterblijft.
Meniscus uit biodegradeerbaar PUR schuim. Beeld: RUG
De Groningse onderzoeksgroep doet veel onderzoek naar polyurethaan-polymeren als basismateriaal voor biodegradeerbare componenten in het menselijk lichaam. Het gaat om gesegmenteerde polymeren of blokcopolymeren, die precies voor iedere toepassing ‘op maat’ gemaakt kunnen worden. Bij zulke kunststoffen zijn de lange polymeerketens opgebouwd uit kortere, elkaar afwisselende stukjes polymeer met verschillende eigenschappen. Meestal is er sprake van twee van zulke bouwelementen, waarbij de een ‘zacht’ is (waardoor het polymeer flexibel is) en de ander ‘hard’ (zodat er ook sprake is van mechanische stabiliteit). De kunst is nu om het uiteindelijke materiaal op te bouwen uit de juiste bouwstenen in de juiste verhouding, zodat het de gewenste eigenschappen heeft.
Schematische weergave van een gesegmenteerd blokcopolymeer, opgebouwd uit zachte delen (hier kronkelig weergegeven) en harde delen (de rechte stukjes). De harde delen kristalliseren onder bepaalde omstandigheden uit waardoor het materiaal goede mechanische eigenschappen krijgt. De zachte delen zorgen voor elasticiteit. Die combinatie van eigenschappen maakt het in principe geschikt als meniscusvervanger. Beeld: RUG
Nadat Heijkants een geschikte samenstelling voor het blokcopolymeer had gevonden, zodat het zowel flexibel, stevig, als bioafbreekbaar was, moest hij er nog een schuim van maken. Dat is nodig om lichaamscellen na implantatie in het lichaam de gelegenheid te geven zich er in te ‘nestelen’ en nieuw kraakbeenweefsel aan te maken. Het is daarbij van belang dat de holtes in het schuim met elkaar verbonden zijn. Tegelijkertijd moet het schuim nog wel de voor een meniscus benodigde stevigheid hebben.
Polymeertechnologen ontwikkelden al verschillende processen voor de productie van zo’n ‘open’ schuim. Deze waren helaas niet geschikt voor de vervaardiging van het meniscusschuim. Er waren giftige oplosmiddelen voor nodig of het resulterende schuim was niet open genoeg. Heijkants slaagde er in een nieuwe, geschikte methode te vinden door combinatie van een aantal vervaardigingsprincipes.
Hij begint met een oplossing van het blokcopolymeer in het oplosmiddel DMSO (dimethylsulfoxide) waar hij zoutkristallen bijmengt. Door een klein beetje water toe te voegen vermindert hij de oplosbaarheid van het DMSO om zogenaamde thermisch geïnduceerde fasenscheiding mogelijk te maken. Het polymeer is dan nog maar net opgelost zodat verlaging van de temperatuur in fasenscheiding resulteert. In feite vermindert de temperatuurverlaging de oplosbaarheid van het DMSO/water nog verder en het resultaat is dat er rond de zoutkorrels een soort polymere ‘gel’ ontstaat. Door vervolgens extra veel water toe te voegen wordt het polymeer vast en spoelen de zoutkorrels weg, een open netwerk van poriën achterlatend.
Opname van het open schuim met de elektronenmicroscoop. Beeld: RUG, H. Nijland. Klik op het plaatje voor een versie in 3D (te bekijken met een rood/groene 3D bril).
Dierproeven
Op deze manier om het biodegradeerbare open PUR-schuim te maken is inmiddels patent aangevraagd. Het Groningse bedrijf Ortec (voortgekomen uit de chemische faculteit van de RUG) wil de ‘hulpmeniscus’ op de markt gaan brengen. Daarvoor is nog wel een medisch kwalificatietraject nodig dat enkele jaren kan gaan duren.
Ondertussen hebben dierproeven bij de medische faculteit van de Radboud Universiteit in Nijmegen al inzicht gegeven in de functionaliteit van het materiaal. In de knie van honden (Beagles) bleek het schuim na een maand of drie met lichaamseigen weefsel van de hond vol gegroeid. Na nog eens drie maanden was dit uitgegroeid tot kraakbeenachtig weefsel en kon de gereconstrueerde meniscus een deel van de functies van de oude vervullen. Ondanks dit klaarblijkelijke succes zijn langetermijn studies noodzakelijk om te beoordelen of dit ook voor dagelijkse praktijk een waardevolle techniek is.