Image credit: Joseph Xu, Michigan Inženýrství
ANN ARBOR—bezkonkurenční kapalina pevnost chrupavky, což je asi 80 procent vody, odolává některým z nejtěžších sil na naše těla.
Syntetické materiály, nemohl zápas to—do „Kevlartilage“ byl vyvinut vědci na Univerzitě v Michiganu a Jiangnan University.
„víme, že jsme se skládají převážně z vody—to vše dělá život—a přesto naše těla mají hodně strukturální stabilitu,“ řekl Nicholas Kotov, Joseph B. a Florencie V. Čejka Profesor Inženýrství na U-M, který vedl studii. „Pochopení chrupavky je pochopení toho, jak životní formy mohou kombinovat vlastnosti, které jsou někdy nemyslitelné dohromady.“
Mnoho lidí s společné zranění by těžit z dobré náhrada chrupavky, jako je například než 850 000 pacientů v USA, kteří podstoupili operace, odstranění nebo nahrazení chrupavky v koleni.
Zatímco ostatní druhy syntetických chrupavky jsou již zařazené do klinických studií, tyto materiály spadají do dvou táborů, které si vybrat mezi chrupavky atributy, nelze dosáhnout nepravděpodobné, že kombinace síly a obsahu vody.
ostatní syntetické materiály, které napodobují fyzikální vlastnosti chrupavky, neobsahují dostatek vody k transportu živin, které buňky potřebují k prosperitě, řekl Kotov.
Mezitím, hydrogely—které obsahují vodu do sítě dlouhý, flexibilní molekuly—mohou být navrženy s dostatek vody pro podporu růstu chondrocytů buněk, které se hromadí přírodní chrupavky. Přesto tyto hydrogely nejsou nijak zvlášť silné. Trhají pod kmeny zlomek toho, co chrupavka zvládne.
stejně jako přirozená chrupavka, umělá chrupavka odolává namáhání uvolněním vody a později se může zotavit absorpcí vody. Kredit: Joseph Xu, Michigan Inženýrství
nový Kevlar na bázi hydrogelu obnoví kouzlo chrupavky tím, že kombinuje sítí těžké nanovláken z Kevlar—“aramid“ vlákna nejlépe známý pro výrobu neprůstřelné vesty—materiál běžně používaný v hydrogelu chrupavky, náhrady, s názvem polyvinylalkohol, nebo PVA.
v přirozené chrupavce získává síť proteinů a dalších biomolekul svou sílu tím, že odolává toku vody mezi svými komorami. Tlak z vody překonfiguruje síť a umožňuje její deformaci bez přerušení. V procesu se uvolňuje voda a síť se zotavuje absorpcí vody později.
tento mechanismus umožňuje kloubům s vysokým nárazem, jako jsou kolena, postavit se trestným silám. Běží opakovaně liber chrupavky mezi kosti, nutit vodu ven a dělat chrupavka ohebnější jako výsledek. Poté, když běžec spočívá, chrupavka absorbuje vodu, takže opět poskytuje silnou odolnost proti stlačení.
obraz elektronového mikroskopu syntetické matrice chrupavky. Image credit: Lizhi Xu, Kotov Lab
syntetická chrupavka se může pochlubit stejným mechanismem, uvolňuje vodu pod stresem a později se zotavuje absorpcí vody jako houba. Aramidové nanovláken vybudovat rámec materiálu, zatímco PVA pasti vody uvnitř sítě, pokud je materiál vystaven protažení nebo komprese. Dokonce i verze materiálu, který byl 92 procent vody byly srovnatelné v síle chrupavky, s 70 procent verze dosažení odolnosti pryže.
protože aramidová nanovlákna a PVA nepoškozují sousední buňky, Kotov předpokládá, že tato syntetická chrupavka může být vhodným implantátem pro některé situace, jako jsou hlubší části kolena. Také si klade otázku, zda by chondrocyty mohly být schopny usadit se uvnitř syntetické sítě a vytvořit hybridní chrupavku.
ale jeho potenciální aplikace nejsou omezeny na chrupavku. Má podezření, že podobné sítě s různými podíly aramidových nanovláken, PVA a vody mohou být schopny obstát u jiných měkkých tkání.
“ v těle máme mnoho membrán, které vyžadují stejné vlastnosti. Chtěl bych prostor zhodnotit, “ řekl Kotov. „Budu mluvit s lékaři o tom, kde je akutní potřeba a kde nám tato křižovatka vlastností umožní nejlepší pokrok a největší dopad.“
Kotov je členem Biointerfaces Institute, který poskytuje sdílený prostor pro výzkumné pracovníky z inženýrských a lékařských škol U-M. Je také profesorem chemického inženýrství, vědy o materiálech a inženýrství a makromolekulární vědy a inženýrství.
studie, nedávno publikovaná v Advanced Materials, se jmenuje “ biomimetické kompozity bohaté na vodu s abiotickou samoorganizující se sítí nanovláken.“Byla podpořena Národní vědeckou nadací s dodatečným financováním z Ministerstva obrany. Univerzita hledá patentovou ochranu a partnery pro uvedení technologie na trh.