Image credit: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR-The unparalleled liquid strength of cartilage, which is about 80 percent water, witstands some of the toughest forces on our bodies.
materiais sintéticos não poderiam igualar—até que “Kevlartilage” foi desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade de Jiangnan.
“nós sabemos que nós consistem principalmente de água – toda a vida faz—e ainda nossos corpos têm um monte de estabilidade estrutural”, disse Nicholas Kotov, o Joseph B. E Florence V. Cejka Professor de engenharia em U-M, que liderou o estudo. “Compreender a cartilagem é compreender como as formas de vida podem combinar propriedades que às vezes são impensáveis em conjunto.”
muitas pessoas com lesões articulares se beneficiariam de um bom substituto para a cartilagem, como os 850 mil pacientes nos Estados Unidos que sofrem cirurgias de remoção ou substituição da cartilagem no joelho.Enquanto outras variedades de cartilagem sintética estão já a ser submetidas a ensaios clínicos, estes materiais caem em dois campos que escolhem entre atributos de cartilagem, incapazes de alcançar essa improvável combinação de resistência e teor de água.Os outros materiais sintéticos que imitam as propriedades físicas da cartilagem não contêm água suficiente para transportar os nutrientes que as células precisam para prosperar, disse Kotov.Entretanto, os hidrogels-que incorporam água numa rede de moléculas longas e flexíveis-podem ser concebidos com água suficiente para suportar o crescimento das células de condrócitos que acumulam cartilagem natural. No entanto, esses hidrogels não são especialmente fortes. Eles rasgam sob estirpes uma fração do que a cartilagem pode lidar.Tal como a cartilagem natural, a cartilagem artificial suporta tensões libertando água e pode posteriormente recuperar absorvendo água. Image credit: Joseph Xu, Michigan Engineering
Like natural cartilage, the artificial cartilage witstands stresses by releasing water and can later recover by absorbing water. Crédito da imagem: José Xu, Michigan Engenharia
O novo Kevlar baseado no hidrogel recria a magia da cartilagem através da combinação de uma rede de difícil nanofibras de Kevlar—o “aramida” fibras mais conhecidos para fazer coletes à prova de balas—com um material comumente utilizado em hidrogel de cartilagem substituições, chamado polivinil álcool, ou PVA.Na cartilagem natural, a rede de proteínas e outras biomoléculas obtém sua força resistindo ao fluxo de água entre suas câmaras. A pressão da água reconfigura a rede, permitindo-lhe deformar sem quebrar. A água é liberada no processo, e a rede recupera absorvendo a água mais tarde.Este mecanismo permite que articulações de alto impacto, como joelhos, resistam às forças punitivas. Correndo repetidamente bate a cartilagem entre os ossos, forçando a água para fora e tornando a cartilagem mais flexível como resultado. Então, quando o corredor descansa, a cartilagem absorve água de modo que ele fornece resistência forte à compressão novamente.
An electron microscope image of the synthetic cartilage matrix. Crédito da imagem: Lizhi Xu, Kotov Lab
a cartilagem sintética possui o mesmo mecanismo, liberando água sob estresse e mais tarde recuperando absorvendo água como uma esponja. Os nanofibres aramidas constroem a estrutura do material, enquanto o PVA retém água dentro da rede quando o material é exposto a alongamento ou compressão. Mesmo as versões do material que eram 92 por cento de água eram comparáveis em força à cartilagem, com a versão de 70 por cento alcançando a resiliência da borracha.Como os nanofibros de aramida e PVA não prejudicam as células adjacentes, Kotov antecipa que esta cartilagem sintética pode ser um implante adequado para algumas situações, como as partes mais profundas do joelho. Ele também se pergunta se os condrócitos poderiam ser capazes de se instalar dentro da rede sintética para produzir uma cartilagem híbrida.
mas as suas potenciais aplicações não se limitam à cartilagem. Ele suspeita que redes semelhantes, com diferentes proporções de nanofibras aramidas, PVA e água, podem ser capazes de substituir outros tecidos moles.
” nós temos um monte de membranas no corpo que requerem as mesmas propriedades. Eu gostaria de avaliar o espaço”, disse Kotov. “Vou falar com os médicos sobre onde está a necessidade aguda e onde esta intersecção das propriedades nos permitirá fazer o melhor progresso e maior impacto.”
Kotov é um membro do Instituto Biointerfaces, que fornece espaço compartilhado para pesquisadores das escolas de engenharia e medicina do U-M. Ele também é professor de engenharia química, ciência dos materiais e engenharia, e Ciência e engenharia macromolecular.
the study, recently published in Advanced Materials, is titled “Water-rich biomimetic composites with abiotic self-organizing nanofiber network.”Foi apoiado pela National Science Foundation, com financiamento adicional do Departamento de Defesa. A universidade está buscando proteção de patentes e parceiros para levar a tecnologia ao mercado.