kép jóváírás: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—a porc páratlan folyékony ereje, amely körülbelül 80 százalékban víz, ellenáll a testünk legkeményebb erőinek.
a szintetikus anyagok nem tudtak megegyezni vele—amíg a “Kevlartilage” – t a Michigani Egyetem és a Jiangnan Egyetem kutatói nem fejlesztették ki.
“tudjuk, hogy többnyire vízből állunk—minden élet így van—, és testünk szerkezeti stabilitása nagy”-mondta Nicholas Kotov, a tanulmány vezetője, Joseph B. és Florence V. Cejka, az U-M mérnöki professzora. “A porc megértése annak megértése, hogy az életformák hogyan kombinálhatják a néha elképzelhetetlen tulajdonságokat.”
sok ízületi sérüléssel küzdő ember számára előnyös lenne a porc jó pótlása, például az Egyesült Államokban 850 000 beteg, akik műtéten esnek át a térd porcának eltávolításával vagy cseréjével.
míg a szintetikus porc más fajtái már klinikai vizsgálatokon mennek keresztül, ezek az anyagok két táborba esnek, amelyek a porc tulajdonságai között választanak, nem képesek elérni az erő és a víztartalom valószínűtlen kombinációját.
a többi szintetikus anyag, amely utánozza a porc fizikai tulajdonságait, nem tartalmaz elegendő vizet a sejtek virágzásához szükséges tápanyagok szállításához, mondta Kotov.
eközben a hidrogéleket—amelyek hosszú, rugalmas molekulák hálózatába építik a vizet-elegendő vízzel lehet megtervezni, hogy támogassák a természetes porcot felépítő kondrociták sejtjeinek növekedését. De ezek a hidrogélek nem különösebben erősek. Szakadás alatt törzsek egy töredéke annak, amit a porc képes kezelni.
mint a természetes porc, a mesterséges porc ellenáll a stresszeknek a víz felszabadításával, és később visszanyerhető a víz felszívásával. Kép hitel: Joseph Xu, Michigan Engineering
az új Kevlar-alapú hidrogél újrateremti a porc varázsát azáltal, hogy a Kevlar kemény nanoszálakból álló hálózatát—az “aramid” szálakat, amelyek a golyóálló mellények gyártásáról ismertek—kombinálja a hidrogél porcpótlásokban általánosan használt anyaggal, az úgynevezett polivinil-alkohollal vagy PVA-val.
a természetes porcokban a fehérjék és más biomolekulák hálózata azáltal erősödik meg, hogy ellenáll a kamrák közötti vízáramlásnak. A víz nyomása újrakonfigurálja a hálózatot, lehetővé téve annak deformálódását törés nélkül. A folyamat során a víz felszabadul, és a hálózat később elnyeli a vizet.
ez a mechanizmus lehetővé teszi a nagy ütésű ízületek, például a térdek számára, hogy ellenálljanak a büntető erőknek. Futás többször font a porc a csontok között, arra kényszerítve a vizet, és így a porc rugalmasabb eredményeként. Ezután, amikor a futó nyugszik, a porc elnyeli a vizet, így ismét erős ellenállást biztosít a tömörítéssel szemben.
a szintetikus porc mátrix elektronmikroszkópos képe. Kép jóváírás: Lizhi Xu, Kotov Lab
a szintetikus porc ugyanazzal a mechanizmussal büszkélkedhet, stressz alatt felszabadítja a vizet, majd később visszanyeri a vizet, mint egy szivacs. Az aramid nanoszálak felépítik az anyag keretét, míg a PVA csapdába ejti a vizet a hálózaton belül, amikor az anyag nyújtásnak vagy összenyomásnak van kitéve. Még az anyag 92% – os víztartalmú változatai is összehasonlíthatók voltak a porcokkal, a 70% – os változat pedig elérte a gumi ellenálló képességét.
mivel az aramid nanoszálak és a PVA nem károsítják a szomszédos sejteket, Kotov arra számít, hogy ez a szintetikus porc megfelelő implantátum lehet bizonyos helyzetekben, például a térd mélyebb részein. Arra is kíváncsi, hogy a kondrociták képesek-e tartózkodni a szintetikus hálózaton belül, hogy hibrid porcot hozzanak létre.
de lehetséges alkalmazásai nem korlátozódnak a porcra. Gyanítja, hogy hasonló hálózatok, amelyek eltérő arányban tartalmaznak aramid nanoszálakat, PVA-t és vizet, képesek lehetnek más lágy szövetek számára is.
“a testben sok membrán van, amelyek ugyanazokat a tulajdonságokat igénylik. Szeretném értékelni a teret ” – mondta Kotov. “Beszélni fogok az orvosokkal arról, hogy hol van az akut szükség, és hol a tulajdonságok metszéspontja lehetővé teszi számunkra, hogy a legjobb előrelépést és a legnagyobb hatást érjük el.”
Kotov a Biointerfaces Institute tagja, amely megosztott teret biztosít az U-M mérnöki és orvosi iskoláinak kutatói számára. Emellett a vegyészmérnöki, Anyagtudományi és mérnöki, valamint a makromolekuláris tudomány és mérnöki tudományok professzora.
a nemrégiben az Advanced Materials-ban megjelent tanulmány címe: “vízben gazdag biomimetikus kompozitok abiotikus önszerveződő nanoszálas hálózattal.”A Nemzeti Tudományos Alapítvány támogatta, a védelmi minisztérium további finanszírozásával. Az egyetem szabadalmi oltalmat és partnereket keres a technológia piacra dobására.