Image credit: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—ruston vertaansa vailla oleva nestelujuus, joka on noin 80 prosenttia vettä, kestää joitakin kovimpia voimia kehossamme.
synteettiset materiaalit eivät pärjänneet sille-kunnes Michiganin yliopiston ja Jiangnanin yliopiston tutkijat kehittivät ”Kevlartilagen”.
”tiedämme koostuvamme enimmäkseen vedestä-kaikki elämä koostuu-ja silti kehossamme on paljon rakenteellista vakautta”, sanoi tutkimusta johtanut Nicholas Kotov, Joseph B. Ja Florence V. Cejka-tekniikan professori U-M: stä. ”Rustojen ymmärtäminen on sen ymmärtämistä, miten elämänmuodot voivat yhdistää ominaisuuksia, joita joskus ei voida ajatella yhdessä.”
monet nivelvammaiset hyötyisivät hyvästä rustojen korvaamisesta, kuten ne 850 000 yhdysvaltalaista potilasta, jotka käyvät leikkauksissa poistamassa tai korvaamassa polven rustoa.
muiden synteettisten rustolajien ollessa jo kliinisessä kokeessa nämä materiaalit jakautuvat kahteen leiriin, jotka valitsevat ruston ominaisuuksien välillä, eivätkä pysty saavuttamaan tätä epätodennäköistä lujuuden ja vesipitoisuuden yhdistelmää.
muut rustojen fysikaalisia ominaisuuksia jäljittelevät synteettiset materiaalit eivät sisällä tarpeeksi vettä kuljettaakseen ravinteita, joita solut tarvitsevat menestyäkseen, Kotov sanoi.
sillä välin hydrogeelit—jotka sisältävät vettä pitkien, joustavien molekyylien verkostoon—voidaan suunnitella niin, että vettä riittää tukemaan luonnollista rustoa muodostavien kondrosyyttisolujen kasvua. Hydrogeelit eivät kuitenkaan ole erityisen vahvoja. Ne repivät rasitusten alla murto-osan siitä, mitä rusto kestää.
luonnollisen ruston tavoin keinotekoinen rusto kestää stressiä vapauttamalla vettä ja voi myöhemmin toipua imemällä vettä. Kuvahyvitys: Joseph Xu, Michigan Engineering
Uusi Kevlar-pohjainen hydrogeeli luo ruston taikaa yhdistämällä kevlarista peräisin olevien kovien nanokuitujen verkoston—”aramidikuidut”, jotka tunnetaan parhaiten luotiliivien valmistuksesta—hydrogeeliruston korvikkeissa yleisesti käytettävään materiaaliin, polyvinyylialkoholiin eli PVA: han.
luonnollisessa rustossa proteiinien ja muiden biomolekyylien verkosto saa voimansa vastustamalla veden virtausta kammioissaan. Veden aiheuttama paine muuttaa verkostoa, jolloin se voi muotoutua katkeamatta. Prosessissa vapautuu vettä,ja verkosto toipuu imemällä vettä myöhemmin.
tämän mekanismin avulla suuret iskunivelet, kuten polvet, kestävät rankaisevia voimia. Juokseminen toistuvasti paukuttaa rustoa luiden välissä, pakottaen veden ulos ja tehden sen seurauksena rustosta taipuisamman. Kun juoksija sitten lepää, rusto imee itseensä vettä niin, että se antaa jälleen voimakkaan puristuskestävyyden.
elektronimikroskoopin kuva synteettisestä rustomatriisista. Image credit: Lizhi Xu, Kotov Lab
synteettinen rusto ylpeilee samalla mekanismilla, vapauttaen vettä rasituksessa ja myöhemmin toipuen imemällä vettä kuin sieni. Aramidinanofiberit rakentavat materiaalin rungon, kun taas polyvinyylialkoholi vangitsee veden verkon sisälle materiaalin altistuessa venymiselle tai puristukselle. Jopa 92-prosenttisesti vettä sisältäneet versiot olivat kestävyydeltään verrattavissa rustoon, ja 70-prosenttinen versio saavutti kumin sietokyvyn.
koska aramidinanofiberit ja polyvinyylialkoholi eivät vahingoita viereisiä soluja, Kotov ennakoi, että tämä synteettinen rusto voi olla sopiva implantti joihinkin tilanteisiin, kuten polven syvempiin osiin. Hän myös pohtii, voivatko kondrosyytit asettua synteettisen verkon sisälle tuottamaan hybridiruston.
, mutta hänen mahdolliset käyttökohteensa eivät rajoitu rustoon. Hän epäilee, että samankaltaiset verkostot, joissa on eri mittasuhteet aramidinanokuituja, polyvinyylialkoholia ja vettä, saattavat pärjätä muille pehmytkudoksille.
” meillä on kehossa paljon kalvoja, jotka vaativat samoja ominaisuuksia. Haluaisin arvioida tilaa”, Kotov sanoi. ”Aion keskustella lääkäreiden kanssa siitä, missä akuutti tarve on ja missä tämä ominaisuuksien risteys mahdollistaa meille parhaan edistymisen ja suurimman vaikutuksen.”
Kotov on Biointerfaces-instituutin jäsen, joka tarjoaa jaettua tilaa U-M: n tekniikan ja lääketieteen tiedekuntien tutkijoille. Hän on myös kemian tekniikan, materiaalitieteen ja tekniikan sekä makromolekyylitieteen ja-tekniikan professori.
äskettäin Advanced Materials-lehdessä julkaistu tutkimus on otsikoitu ”Water-rich biomimetic composites with abiootic self-organizing nanofiber network.”Sitä tuki Kansallinen tiedesäätiö puolustusministeriön lisärahoituksella. Yliopisto hakee patenttisuojaa ja kumppaneita teknologian tuomiseksi markkinoille.