Billedkredit: Joseph Hsu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—den enestående væskestyrke af brusk, som er omkring 80 procent vand, modstår nogle af de hårdeste kræfter på vores kroppe.
syntetiske materialer kunne ikke matche det—indtil “Kevlartilage” blev udviklet af forskere ved University of Michigan og Jiangnan University.
“vi ved, at vi for det meste består af vand—alt liv gør—og alligevel har vores kroppe en masse strukturel stabilitet,” sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka Professor i teknik ved U-M, der ledede undersøgelsen. “At forstå brusk er at forstå, hvordan livsformer kan kombinere egenskaber, der undertiden ikke kan tænkes sammen.”
mange mennesker med ledskader ville have gavn af en god erstatning for brusk, såsom de 850.000 patienter i USA, der gennemgår operationer, der fjerner eller erstatter brusk i knæet.
mens andre sorter af syntetisk brusk allerede gennemgår kliniske forsøg, falder disse materialer i to lejre, der vælger mellem bruskattributter, der ikke er i stand til at opnå den usandsynlige kombination af styrke og vandindhold.
de andre syntetiske materialer, der efterligner bruskens fysiske egenskaber, indeholder ikke nok vand til at transportere de næringsstoffer, som cellerne skal trives, sagde Kotov.
i mellemtiden kan hydrogeler—som inkorporerer vand i et netværk af lange, fleksible molekyler—designes med nok vand til at understøtte væksten af chondrocytterne celler, der opbygger naturlig brusk. Men disse hydrogeler er ikke særlig stærke. De river under stammer en brøkdel af, hvad brusk kan håndtere.
ligesom naturlig brusk modstår den kunstige brusk stress ved at frigive vand og kan senere komme sig ved at absorbere vand. Billedkredit: 8769>
den nye Kevlar-baserede hydrogel genskaber bruskens magi ved at kombinere et netværk af hårde nanofibre fra Kevlar—de “aramid” fibre, der er bedst kendt for at lave skudsikre veste—med et materiale, der almindeligvis anvendes i hydrogelbrusk udskiftninger, kaldet polyvinylalkohol eller PVA.
i naturlig brusk får netværket af proteiner og andre biomolekyler sin styrke ved at modstå vandstrømmen mellem dets kamre. Trykket fra vandet omkonfigurerer netværket, hvilket gør det muligt at deformere uden at bryde. Vand frigives i processen, og netværket genvinder ved at absorbere vand senere.
denne mekanisme gør det muligt for stødfuger, såsom knæ, at stå op for straffende kræfter. Kører gentagne gange Pund brusk mellem knoglerne, tvinger vand ud og gør brusk mere bøjelig som følge heraf. Derefter, når løberen hviler, absorberer brusk vand, så det giver stærk modstand mod kompression igen.
et elektronmikroskopbillede af den syntetiske bruskmatrice. Billedkredit: Kotov Lab
den syntetiske brusk kan prale af den samme mekanisme, der frigiver vand under stress og senere genvinder ved at absorbere vand som en svamp. Aramid nanofibre bygger rammen af materialet, mens PVA fælder vand inde i netværket, når materialet udsættes for strækning eller kompression. Selv versioner af materialet, der var 92 procent vand, var sammenlignelige i styrke med brusk, hvor 70 procent-versionen opnåede gummiens modstandsdygtighed.
da aramid nanofibre og PVA ikke skader tilstødende celler, forventer Kotov, at dette syntetiske brusk kan være et passende implantat til nogle situationer, såsom de dybere dele af knæet. Han spekulerer også på, om chondrocytter måske kan tage ophold i det syntetiske netværk for at producere en hybridbrusk.
men hans potentielle anvendelser er ikke begrænset til brusk. Han har mistanke om, at lignende netværk med forskellige proportioner af aramid nanofibre, PVA og vand kan være i stand til at stå ind for andet blødt væv.
“vi har mange membraner i kroppen, der kræver de samme egenskaber. Jeg vil gerne evaluere rummet, ” sagde Kotov. “Jeg vil tale med læger om, hvor det akutte behov er, og hvor dette skæringspunkt mellem ejendommene giver os mulighed for at gøre det bedste fremskridt og største indflydelse.”
Kotov er medlem af Biointerfaces Institute, som giver fælles plads til forskere fra U-M ‘ S ingeniør-og medicinske skoler. Han er også professor i Kemiteknik, materialevidenskab og teknik og makromolekylær videnskab og teknik.
undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i Advanced Materials, har titlen “vandrige biomimetiske kompositter med abiotisk selvorganiserende nanofiber-netværk.”Det blev støttet af National Science Foundation med yderligere finansiering fra Forsvarsministeriet. Universitetet søger patentbeskyttelse og partnere for at bringe teknologien på markedet.