Bildnachweis: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR — Die beispiellose Flüssigkeitsstärke von Knorpel, die zu etwa 80 Prozent aus Wasser besteht, widersteht einigen der härtesten Kräfte auf unseren Körper.
Synthetische Materialien konnten nicht mithalten – bis „Kevlartilage“ von Forschern der University of Michigan und der Jiangnan University entwickelt wurde.
„Wir wissen, dass wir hauptsächlich aus Wasser bestehen — alles Leben tut es — und dennoch haben unsere Körper eine Menge strukturelle Stabilität“, sagte Nicholas Kotov, der Joseph B. und Florence V. Cejka Professor für Ingenieurwissenschaften an der U-M, der die Studie leitete. „Knorpel zu verstehen bedeutet zu verstehen, wie Lebensformen Eigenschaften kombinieren können, die manchmal undenkbar sind.“
Viele Menschen mit Gelenkverletzungen würden von einem guten Knorpelersatz profitieren, wie die 850.000 Patienten in den USA, die sich einer Operation unterziehen, bei der Knorpel im Knie entfernt oder ersetzt wird.
Während andere Arten von synthetischem Knorpel bereits in klinischen Studien getestet werden, fallen diese Materialien in zwei Lager, die zwischen Knorpeleigenschaften wählen und nicht in der Lage sind, diese unwahrscheinliche Kombination aus Festigkeit und Wassergehalt zu erreichen.
Die anderen synthetischen Materialien, die die physikalischen Eigenschaften von Knorpel nachahmen, enthalten nicht genug Wasser, um die Nährstoffe zu transportieren, die Zellen zum Gedeihen benötigen, sagte Kotov.
Inzwischen können Hydrogele — die Wasser in ein Netzwerk von langen, flexiblen Molekülen integrieren — mit genug Wasser entworfen werden, um das Wachstum der Chondrozyten-Zellen zu unterstützen, die natürlichen Knorpel aufbauen. Doch diese Hydrogele sind nicht besonders stark. Sie reißen unter Belastungen einen Bruchteil dessen, was Knorpel verarbeiten kann.
Wie natürlicher Knorpel widersteht der künstliche Knorpel Belastungen durch Freisetzung von Wasser und kann sich später durch Aufnahme von Wasser erholen. Bildnachweis: Joseph Xu, Michigan Engineering
Das neue Hydrogel auf Kevlar-Basis erschafft die Magie des Knorpels, indem es ein Netzwerk zäher Nanofasern aus Kevlar — den „Aramid“ —Fasern, die am besten für die Herstellung kugelsicherer Westen bekannt sind – mit einem Material kombiniert, das üblicherweise in Hydrogelknorpeln verwendet wird Ersatz, genannt Polyvinylalkohol oder PVA.
Im natürlichen Knorpel erhält das Netzwerk von Proteinen und anderen Biomolekülen seine Stärke, indem es dem Wasserfluss zwischen seinen Kammern widersteht. Der Druck des Wassers konfiguriert das Netzwerk neu und ermöglicht es ihm, sich zu verformen, ohne zu brechen. Dabei wird Wasser freigesetzt, und das Netzwerk erholt sich, indem es später Wasser aufnimmt.
Dieser Mechanismus ermöglicht es Gelenken mit hoher Schlagkraft, wie z. B. Knien, bestrafenden Kräften standzuhalten. Beim wiederholten Laufen wird der Knorpel zwischen den Knochen zerstoßen, wodurch Wasser herausgedrückt wird und der Knorpel dadurch biegsamer wird. Dann, wenn der Läufer ruht, absorbiert der Knorpel Wasser, so dass er wieder starken Widerstand gegen Kompression bietet.
Ein Elektronenmikroskopbild der synthetischen Knorpelmatrix. Bildnachweis: Lizhi Xu, Kotov Lab
Der synthetische Knorpel verfügt über den gleichen Mechanismus, der unter Stress Wasser freisetzt und sich später erholt, indem er Wasser wie ein Schwamm aufnimmt. Die Aramid-Nanofasern bilden das Gerüst des Materials, während das PVA Wasser im Netzwerk einfängt, wenn das Material gedehnt oder komprimiert wird. Sogar Versionen des Materials, die zu 92 Prozent aus Wasser bestanden, waren in ihrer Festigkeit mit Knorpel vergleichbar, wobei die 70-Prozent-Version die Elastizität von Gummi erreichte.
Da die Aramid-Nanofasern und PVA benachbarte Zellen nicht schädigen, geht Kotov davon aus, dass dieser synthetische Knorpel für einige Situationen ein geeignetes Implantat sein kann, beispielsweise für die tieferen Teile des Knies. Er fragt sich auch, ob Chondrozyten in der Lage sein könnten, sich innerhalb des synthetischen Netzwerks niederzulassen, um einen Hybridknorpel herzustellen.
Aber seine möglichen Anwendungen sind nicht auf Knorpel beschränkt. Er vermutet, dass ähnliche Netzwerke mit unterschiedlichen Anteilen an Aramid-Nanofasern, PVA und Wasser möglicherweise für andere Weichteile stehen können.
„Wir haben viele Membranen im Körper, die die gleichen Eigenschaften erfordern. Ich möchte den Raum bewerten „, sagte Kotov. „Ich werde mit Ärzten darüber sprechen, wo der akute Bedarf besteht und wo wir durch diese Kreuzung der Eigenschaften die besten Fortschritte und die größte Wirkung erzielen können.“
Kotov ist Mitglied des Biointerfaces Institute, das Forschern der technischen und medizinischen Fakultäten von U-M einen gemeinsamen Raum bietet. Er ist auch Professor für Chemieingenieurwesen, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften sowie makromolekulare Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften.
Die kürzlich in Advanced Materials veröffentlichte Studie trägt den Titel „Water-rich biomimetic composites with abiotic self-organizing nanofiber network.“ Es wurde von der National Science Foundation mit zusätzlichen Mitteln des Verteidigungsministeriums unterstützt. Die Universität sucht Patentschutz und Partner, um die Technologie auf den Markt zu bringen.