Zdjęcie kredyt: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—niezrównana płynna Siła chrząstki, która jest około 80 procent wody, wytrzymuje niektóre z najtrudniejszych sił na nasze ciała.
materiały syntetyczne nie mogły się z nim równać—dopóki „Kevlartilage” nie został opracowany przez naukowców z University of Michigan i Jiangnan University.
„wiemy, że składa się głównie z wody—wszystko życie—a jednak nasze ciała mają dużo stabilności Strukturalnej”, powiedział Nicholas Kotov, Joseph B. I Florence V. Cejka profesor inżynierii w U-M, który prowadził badanie. „Zrozumienie chrząstki to zrozumienie, w jaki sposób formy życia mogą łączyć ze sobą właściwości, które czasami są nie do pomyślenia.”
Wiele osób z urazami stawów skorzystałoby na dobrym zastąpieniu chrząstki, na przykład 850 000 pacjentów w USA, którzy przechodzą operacje usunięcia lub wymiany chrząstki w kolanie.
podczas gdy inne odmiany syntetycznej chrząstki są już w trakcie badań klinicznych, materiały te dzielą się na dwa obozy, które wybierają między atrybutami chrząstki, nie mogąc osiągnąć tej nieprawdopodobnej kombinacji wytrzymałości i zawartości wody.
inne syntetyczne materiały, które naśladują fizyczne właściwości chrząstki, nie zawierają wystarczającej ilości wody do transportu składników odżywczych, których komórki potrzebują do rozwoju, powiedział Kotov.
tymczasem hydrożele-które zawierają wodę w sieć długich, elastycznych cząsteczek—mogą być zaprojektowane z wystarczającą ilością wody, aby wspierać wzrost komórek chondrocytów, które budują naturalną chrząstkę. Jednak te hydrożele nie są szczególnie silne. Rozrywają pod wpływem szczepów ułamek tego, z czym może sobie poradzić chrząstka.
podobnie jak naturalna chrząstka, sztuczna chrząstka wytrzymuje naprężenia poprzez uwalnianie wody i może później odzyskać poprzez absorbowanie wody. Kredyt wizerunkowy: Joseph Xu, Michigan Engineering
nowy hydrożel na bazie Kevlaru odtwarza magię chrząstki, łącząc sieć wytrzymałych nanowłókien z Kevlaru-włókien „aramidowych” najbardziej znanych z produkcji kamizelek kuloodpornych—z materiałem powszechnie stosowanym w hydrożelowych zamiennikach chrząstki, zwanym alkoholem poliwinylowym lub PVA.
w naturalnej chrząstce sieć białek i innych biomolekuł zyskuje swoją siłę, opierając się przepływowi wody między jej komorami. Ciśnienie wody rekonfiguruje sieć, umożliwiając jej deformację bez pękania. Woda jest uwalniana w procesie, a sieć odzyskuje się, wchłaniając wodę później.
mechanizm ten umożliwia stawom uderzeniowym, takim jak kolana, stawienie czoła siłom karzącym. Bieganie wielokrotnie funtów chrząstki między kośćmi, zmuszając wody i czyniąc chrząstki bardziej giętkie w wyniku. Następnie, gdy biegacz odpoczywa, chrząstka wchłania wodę, dzięki czemu ponownie zapewnia dużą odporność na ściskanie.
obraz mikroskopu elektronowego syntetycznej macierzy chrząstki. Źródło obrazu: Lizhi Xu, Kotov Lab
syntetyczna chrząstka ma ten sam mechanizm, uwalniając wodę pod wpływem stresu, a później odzyskując ją, wchłaniając wodę jak gąbkę. Nanowłókna aramidowe budują strukturę materiału, podczas gdy PVA zatrzymuje wodę wewnątrz sieci, gdy materiał jest narażony na rozciąganie lub ściskanie. Nawet wersje materiału, które stanowiły 92% wody, były porównywalne pod względem wytrzymałości do chrząstki, a wersja 70% zapewniała sprężystość gumy.
ponieważ aramidowe nanowłókna i PVA nie uszkadzają sąsiednich komórek, Kotov przewiduje, że ta syntetyczna chrząstka może być odpowiednim implantem w niektórych sytuacjach, takich jak głębsze części kolana. Zastanawia się również, czy chondrocyty mogą zamieszkać w sieci syntetycznej, aby wytworzyć chrząstkę hybrydową.
ale jego potencjalne zastosowania nie ograniczają się do chrząstki. Podejrzewa, że podobne sieci, z różnymi proporcjami nanowłókien aramidowych, PVA i wody, mogą być w stanie zastąpić inne tkanki miękkie.
” mamy w ciele wiele błon, które wymagają tych samych właściwości. Chciałbym ocenić przestrzeń ” – powiedział Kotow. „Porozmawiam z lekarzami o tym, gdzie jest ostra potrzeba i gdzie to skrzyżowanie właściwości pozwoli nam uzyskać najlepszy postęp i największy wpływ.”
Kotov jest członkiem Instytutu Biointerfaces, który zapewnia wspólną przestrzeń dla naukowców ze szkół inżynieryjnych i medycznych U-M. Jest również profesorem inżynierii chemicznej, inżynierii materiałowej i makromolekularnej.
badanie, niedawno opublikowane w Advanced Materials, nosi tytuł ” bogate w wodę kompozyty biomimetyczne z abiotyczną samoorganizującą się siecią nanowłókien.”Został on wsparty przez National Science Foundation, z dodatkowym dofinansowaniem z Departamentu Obrony. Uczelnia poszukuje ochrony patentowej i partnerów do wprowadzenia technologii na rynek.