Bilde kreditt: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR-den uovertruffen flytende styrken av brusk, som er omtrent 80 prosent vann, tåler noen av de tøffeste kreftene på kroppene våre.
Syntetiske materialer kunne ikke matche det-til «Kevlartilage» ble utviklet av forskere ved University Of Michigan og Jiangnan University.
«Vi vet at vi hovedsakelig består av vann-alt liv gjør-og likevel har kroppene våre mye strukturell stabilitet,» sa Nicholas Kotov, Joseph B. Og Florence V. Cejka Professor I Ingeniørfag Ved Um, som ledet studien. «Å forstå brusk er å forstå hvordan livsformer kan kombinere egenskaper som noen ganger er utenkelige sammen.»
Mange mennesker med leddskader vil ha nytte av en god erstatning for brusk, for eksempel de 850.000 pasientene i USA som gjennomgår operasjoner som fjerner eller erstatter brusk i kneet.
mens andre varianter av syntetisk brusk allerede gjennomgår kliniske studier, faller disse materialene i to leire som velger mellom bruskattributter, ikke i stand til å oppnå den usannsynlige kombinasjonen av styrke og vanninnhold.
de andre syntetiske materialene som etterligner de fysiske egenskapene til brusk, inneholder ikke nok vann til å transportere næringsstoffene som cellene trenger for å trives, Sa Kotov.
I Mellomtiden kan hydrogeler-som inkorporerer vann i et nettverk av lange, fleksible molekyler – utformes med nok vann til å støtte veksten av kondrocytceller som bygger opp naturlig brusk. Men disse hydrogelene er ikke spesielt sterke. De rive under stammer en brøkdel av hva brusk kan håndtere.
som naturlig brusk tåler den kunstige brusk stress ved å frigjøre vann og kan senere gjenopprette ved å absorbere vann. Bilde kreditt: Joseph Xu, Michigan Engineering
den nye kevlar-baserte hydrogelen gjenskaper bruskens magi ved å kombinere et nettverk av tøffe nanofibre Fra Kevlar – «aramid» – fibrene som er best kjent for å lage skuddsikre vester – med et materiale som vanligvis brukes i hydrogelbruskutskiftninger, kalt polyvinylalkohol eller PVA.
i naturlig brusk får nettverket av proteiner og andre biomolekyler sin styrke ved å motstå vannstrømmen mellom kamrene. Trykket fra vannet omkonfigurerer nettverket, slik at det kan deformere uten å bryte. Vann frigjøres i prosessen, og nettverket gjenoppretter ved å absorbere vann senere.
denne mekanismen gjør det mulig for høy støtfuger, som knær, å stå opp for å straffe krefter. Kjører gjentatte ganger brusk mellom beinene, tvinger vann ut og gjør brusk mer bøyelig som et resultat. Da, når løperen hviler, absorberer brusk vann slik at det gir sterk motstand mot kompresjon igjen.
et elektronmikroskop bilde av den syntetiske bruskmatrisen. Bilde kreditt: Lizhi Xu, Kotov Lab
syntetisk brusk har samme mekanisme, frigjør vann under stress og senere gjenoppretter ved å absorbere vann som en svamp. Aramid nanofibers bygger rammen av materialet, MENS PVA feller vann inne i nettverket når materialet er utsatt for strekking eller kompresjon. Selv versjoner av materialet som var 92 prosent vann var sammenlignbare i styrke til brusk, med 70 prosent versjonen som oppnådde elastisiteten til gummi.
Da aramid nanofibre og PVA ikke skader tilstøtende celler, forventer Kotov at denne syntetiske brusk kan være et egnet implantat for noen situasjoner, for eksempel de dypere delene av kneet. Han lurer også på om kondrocytter kan være i stand til å ta bolig i det syntetiske nettverket for å produsere en hybridbrusk.
men hans potensielle anvendelser er ikke begrenset til brusk. Han mistenker at lignende nettverk, med forskjellige proporsjoner av aramid nanofibre, PVA og vann, kan stå inn for andre myke vev.
» Vi har mange membraner i kroppen som krever de samme egenskapene. Jeg vil gjerne evaluere plassen, » Sa Kotov. «Jeg vil snakke med leger om hvor det akutte behovet er og hvor dette skjæringspunktet mellom egenskapene vil tillate oss å gjøre best fremgang og største innvirkning.»
Kotov er medlem Av Biointerfaces Institute, som gir felles plass for forskere fra U-Ms ingeniør-og medisinske skoler. Han er også professor i kjemisk ingeniørfag, materialvitenskap og ingeniørfag, og makromolekylær vitenskap og ingeniørfag.
studien, nylig publisert I Advanced Materials, har tittelen » Vannrike biomimetiske kompositter med abiotisk selvorganiserende nanofiber-nettverk.»Det ble støttet Av National Science Foundation, med ekstra finansiering fra Forsvarsdepartementet. Universitetet søker patentbeskyttelse og partnere for å bringe teknologien til markedet.