Crédito de la imagen: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—La incomparable resistencia líquida del cartílago, que es aproximadamente un 80 por ciento de agua, resiste algunas de las fuerzas más duras en nuestros cuerpos.
Los materiales sintéticos no podían coincidir, hasta que investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Jiangnan desarrollaron «Kevlartilage».
«Sabemos que nos componemos principalmente de agua—toda la vida lo hace—y, sin embargo, nuestros cuerpos tienen mucha estabilidad estructural», dijo Nicholas Kotov, Profesor de Ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka en U-M, quien dirigió el estudio. «Entender el cartílago es entender cómo las formas de vida pueden combinar propiedades que a veces son impensables juntas.»
Muchas personas con lesiones articulares se beneficiarían de un buen reemplazo del cartílago, como los 850,000 pacientes en los Estados Unidos que se someten a cirugías para extraer o reemplazar el cartílago en la rodilla.
Mientras que otras variedades de cartílago sintético ya están en ensayos clínicos, estos materiales se dividen en dos campos que eligen entre atributos de cartílago, incapaces de lograr esa combinación improbable de resistencia y contenido de agua.
Los otros materiales sintéticos que imitan las propiedades físicas del cartílago no contienen suficiente agua para transportar los nutrientes que las células necesitan para prosperar, dijo Kotov.
Mientras tanto, los hidrogeles, que incorporan agua en una red de moléculas largas y flexibles, se pueden diseñar con suficiente agua para apoyar el crecimiento de las células de los condrocitos que acumulan cartílago natural. Sin embargo, esos hidrogeles no son especialmente fuertes. Se desgarran bajo tensiones una fracción de lo que el cartílago puede soportar.
Al igual que el cartílago natural, el cartílago artificial resiste las tensiones al liberar agua y puede recuperarse más tarde al absorber agua. Crédito de la imagen: Joseph Xu, Michigan Engineering
El nuevo hidrogel a base de Kevlar recrea la magia del cartílago combinando una red de nanofibras resistentes de Kevlar, las fibras de «aramida» más conocidas por fabricar chalecos antibalas, con un material comúnmente utilizado en reemplazos de cartílago de hidrogel, llamado alcohol polivinílico o PVA.
En el cartílago natural, la red de proteínas y otras biomoléculas obtiene su fuerza al resistir el flujo de agua entre sus cámaras. La presión del agua reconfigura la red, lo que le permite deformarse sin romperse. El agua se libera en el proceso, y la red se recupera absorbiendo agua más tarde.
Este mecanismo permite que las articulaciones de alto impacto, como las rodillas, resistan las fuerzas de castigo. Correr golpea repetidamente el cartílago entre los huesos, forzando la salida de agua y haciendo que el cartílago sea más flexible como resultado. Luego, cuando el corredor descansa, el cartílago absorbe agua para que vuelva a proporcionar una fuerte resistencia a la compresión.
Una imagen de microscopio electrónico de la matriz de cartílago sintético. Crédito de la imagen: Lizhi Xu, Kotov Lab
El cartílago sintético cuenta con el mismo mecanismo, liberando agua bajo estrés y luego recuperándose absorbiendo agua como una esponja. Las nanofibras de aramida construyen el armazón del material, mientras que el PVA atrapa el agua dentro de la red cuando el material está expuesto a estiramiento o compresión. Incluso las versiones del material que eran 92 por ciento de agua eran comparables en resistencia al cartílago, con la versión del 70 por ciento logrando la resistencia del caucho.
Como las nanofibras de aramida y el PVA no dañan las células adyacentes, Kotov anticipa que este cartílago sintético puede ser un implante adecuado para algunas situaciones, como las partes más profundas de la rodilla. También se pregunta si los condrocitos podrían establecerse dentro de la red sintética para producir un cartílago híbrido.
Pero sus aplicaciones potenciales no se limitan al cartílago. Sospecha que redes similares, con diferentes proporciones de nanofibras de aramida, PVA y agua, pueden ser capaces de sustituir a otros tejidos blandos.
» Tenemos muchas membranas en el cuerpo que requieren las mismas propiedades. Me gustaría evaluar el espacio», dijo Kotov. «Hablaré con los médicos sobre dónde está la necesidad aguda y dónde esta intersección de las propiedades nos permitirá avanzar mejor y lograr el mayor impacto.»
Kotov es miembro del Instituto Biointerfaces, que proporciona espacio compartido para investigadores de las escuelas de ingeniería y medicina de U-M. También es profesor de ingeniería química, ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular.
El estudio, publicado recientemente en Advanced Materials, se titula » Compuestos biomiméticos ricos en agua con red de nanofibras abióticas autoorganizadas.»Fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, con fondos adicionales del Departamento de Defensa. La universidad está buscando protección de patentes y socios para llevar la tecnología al mercado.