beeld door: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—de ongeëvenaarde vloeibare sterkte van kraakbeen, dat ongeveer 80 procent water is, weerstaat enkele van de zwaarste krachten op ons lichaam.
synthetische materialen konden het niet evenaren-totdat “Kevlartilage” werd ontwikkeld door onderzoekers aan de Universiteit van Michigan en Jiangnan University.”We weten dat we voornamelijk bestaan uit water—al het leven doet dat—en toch hebben onze lichamen veel structurele stabiliteit,” zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka Professor of Engineering aan U-M, die de studie leidde. “Kraakbeen begrijpen is begrijpen hoe levensvormen eigenschappen kunnen combineren die soms ondenkbaar zijn.”
veel mensen met gewrichtsletsel zouden baat hebben bij een goede vervanging van kraakbeen, zoals de 850.000 patiënten in de VS die een operatie ondergaan waarbij kraakbeen in de knie wordt verwijderd of vervangen.
terwijl andere variëteiten van synthetisch kraakbeen reeds klinische proeven ondergaan, vallen deze materialen in twee kampen die kiezen tussen kraakbeeneigenschappen en die onwaarschijnlijke combinatie van sterkte en watergehalte niet kunnen bereiken.
de andere synthetische materialen die de fysische eigenschappen van kraakbeen nabootsen, bevatten niet genoeg water om de voedingsstoffen te transporteren die cellen nodig hebben om te gedijen, zei Kotov.
ondertussen kunnen hydrogels—die water opnemen in een netwerk van lange, flexibele moleculen-worden ontworpen met voldoende water om de groei van de chondrocytencellen te ondersteunen die natuurlijk kraakbeen opbouwen. Toch zijn die hydrogels niet bijzonder sterk. Ze scheuren onder spanningen een fractie van wat kraakbeen aankan.
net als natuurlijk kraakbeen weerstaat het kunstmatige kraakbeen stress door water vrij te geven en kan het zich later herstellen door water te absorberen. Beeld door: Joseph Xu, Michigan Engineering
de nieuwe op Kevlar gebaseerde hydrogel herschept de magie van kraakbeen door een netwerk van taaie nanovezels van Kevlar—de “Aramide” vezels die het meest bekend zijn voor het maken van kogelvrije vesten—te combineren met een materiaal dat veel wordt gebruikt bij hydrogelkraakbeenvervangingen, polyvinylalcohol of PVA.
in natuurlijk kraakbeen krijgt het netwerk van eiwitten en andere biomoleculen zijn kracht door weerstand te bieden aan de waterstroom tussen zijn kamers. De druk van het water herconfigureert het netwerk, waardoor het kan vervormen zonder te breken. Tijdens het proces komt Water vrij, en het netwerk herstelt zich later door water te absorberen.
dit mechanisme zorgt ervoor dat gewrichten met een hoge impact, zoals knieën, bestand zijn tegen stootkrachten. Running herhaaldelijk Pond het kraakbeen tussen de botten, dwingen water uit en het kraakbeen meer buigzaam als gevolg. Vervolgens, wanneer de loper rust, absorbeert het kraakbeen water zodat het weer een sterke weerstand tegen compressie biedt.
een elektronenmicroscoop beeld van de synthetische kraakbeenmatrix. Beeld door: Lizhi Xu, Kotov Lab
het synthetische kraakbeen heeft hetzelfde mechanisme, waardoor water vrijkomt onder stress en later herstelt door water op te nemen als een spons. De aramide nanofibers bouwen het raamwerk van het materiaal, terwijl de PVA water in het netwerk vangt wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan stretching of compressie. Zelfs versies van het materiaal dat 92 procent water was, waren qua sterkte vergelijkbaar met kraakbeen, waarbij de 70 procent versie de veerkracht van rubber bereikte.Omdat de aramide nanovezels en PVA geen schade toebrengen aan aangrenzende cellen, verwacht Kotov dat dit synthetische kraakbeen een geschikt implantaat kan zijn voor sommige situaties, zoals de diepere delen van de knie. Hij vraagt zich ook af of chondrocyten in het synthetische netwerk kunnen gaan wonen om een hybride kraakbeen te produceren.
maar zijn potentiële toepassingen zijn niet beperkt tot kraakbeen. Hij vermoedt dat soortgelijke netwerken, met verschillende proporties van aramide nanofibers, PVA en water, in staat zouden kunnen zijn om andere zachte weefsels te vervangen.
” we hebben veel membranen in het lichaam die dezelfde eigenschappen vereisen. Ik zou graag de ruimte te evalueren,” Kotov zei. “Ik zal met artsen praten over waar de acute behoefte is en waar deze kruising van de eigenschappen ons in staat zal stellen om de beste vooruitgang en de grootste impact te boeken.”
Kotov is lid van het Biointerfaces Institute, dat gemeenschappelijke ruimte biedt aan onderzoekers van de technische en medische scholen van U-M. Hij is ook hoogleraar chemische techniek, materiaalkunde en techniek, en macromoleculaire wetenschap en techniek.De studie, onlangs gepubliceerd in Advanced Materials, is getiteld ” Water-rich biomimetic composites with abiotic self-organizing nanofiber network.”Het werd ondersteund door de National Science Foundation, met extra financiering van het Ministerie van Defensie. De universiteit is op zoek naar octrooibescherming en partners om de technologie op de markt te brengen.