credit Imagine: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—puterea de neegalat lichid de cartilaj, care este de aproximativ 80 la sută apă, rezistă unele dintre cele mai dure forțe pe corpurile noastre.
materialele sintetice nu s—au putut potrivi-până când „Kevlartilage” a fost dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea din Michigan și Universitatea Jiangnan.
„știm că suntem alcătuiți în mare parte din apă—toată viața o face—și totuși corpurile noastre au multă stabilitate structurală”, a spus Nicholas Kotov, Joseph B. și Florence V. Cejka profesor de inginerie la U-M, care a condus studiul. „Înțelegerea cartilajului este înțelegerea modului în care formele de viață pot combina proprietăți care sunt uneori de neconceput împreună.”
multe persoane cu leziuni articulare ar beneficia de un bun înlocuitor pentru cartilaj, cum ar fi cei 850.000 de pacienți din SUA care suferă intervenții chirurgicale de îndepărtare sau înlocuire a cartilajului la genunchi.
în timp ce alte soiuri de cartilaj sintetic sunt deja supuse unor studii clinice, aceste materiale se încadrează în două tabere care aleg între atributele cartilajului, incapabile să obțină acea combinație improbabilă de rezistență și conținut de apă.
celelalte materiale sintetice care imită proprietățile fizice ale cartilajului nu conțin suficientă apă pentru a transporta nutrienții de care celulele au nevoie pentru a prospera, a spus Kotov.
între timp, hidrogelurile—care încorporează apa într—o rețea de molecule lungi și flexibile-pot fi proiectate cu suficientă apă pentru a susține creșterea celulelor condrocite care construiesc cartilajul natural. Cu toate acestea, aceste hidrogeluri nu sunt deosebit de puternice. Ei rup sub tulpini o fracțiune din ceea ce cartilajul poate manipula.
ca și cartilajul natural, cartilajul artificial rezistă la stres prin eliberarea apei și se poate recupera ulterior prin absorbția apei. Credit imagine: Joseph Xu, Michigan Engineering
noul hidrogel pe bază de Kevlar recreează magia cartilajului prin combinarea unei rețele de nanofibre dure din Kevlar-fibrele „Aramide” cele mai cunoscute pentru fabricarea vestelor antiglonț—cu un material utilizat în mod obișnuit în înlocuirile cartilajului hidrogel, numit alcool polivinilic sau PVA.
în cartilajul natural, rețeaua de proteine și alte biomolecule își obține rezistența rezistând fluxului de apă printre camerele sale. Presiunea apei reconfigurează rețeaua, permițându-i să se deformeze fără a se rupe. Apa este eliberată în acest proces, iar rețeaua se recuperează prin absorbția apei mai târziu.
acest mecanism permite articulațiilor cu impact ridicat, cum ar fi genunchii, să reziste forțelor de pedepsire. Rularea în mod repetat lire sterline cartilajul dintre oase, forțând apa afară și de a face cartilajul mai maleabil ca rezultat. Apoi, când alergătorul se odihnește, cartilajul absoarbe apa, astfel încât să ofere din nou o rezistență puternică la compresie.
o imagine la microscop electronic a matricei cartilajului sintetic. Credit imagine: Lizhi Xu, Kotov Lab
cartilajul sintetic se mândrește cu același mecanism, eliberând apa sub stres și recuperându-se ulterior prin absorbția apei ca un burete. Nanofibrele Aramide construiesc cadrul materialului, în timp ce PVA captează apa în interiorul rețelei atunci când materialul este expus la întindere sau compresie. Chiar și versiunile materialului care aveau 92% apă erau comparabile ca rezistență cu cartilajul, versiunea de 70% obținând rezistența cauciucului.
deoarece nanofibrele Aramide și PVA nu dăunează celulelor adiacente, Kotov anticipează că acest cartilaj sintetic poate fi un implant adecvat pentru anumite situații, cum ar fi părțile mai profunde ale genunchiului. El se întreabă, de asemenea, dacă condrocitele ar putea fi capabile să se stabilească în interiorul rețelei sintetice pentru a produce un cartilaj hibrid.
dar aplicațiile sale potențiale nu se limitează la cartilaj. El suspectează că rețele similare, cu proporții diferite de nanofibre Aramide, PVA și apă, ar putea fi capabile să stea pentru alte țesuturi moi.
„avem o mulțime de membrane în organism care necesită aceleași proprietăți. Aș dori să evaluez spațiul”, a spus Kotov. „Voi vorbi cu medicii despre unde este nevoia acută și unde această intersecție a proprietăților ne va permite să facem cele mai bune progrese și cel mai mare impact.”
Kotov este membru al Institutului Biointerfaces, care oferă spațiu comun cercetătorilor din școlile de inginerie și medicină ale U-M. Este, de asemenea, profesor de inginerie chimică, știința și Ingineria Materialelor și știință și inginerie macromoleculară.
studiul, publicat recent în Advanced Materials, este intitulat „compozite biomimetice bogate în apă cu rețea de nanofibre abiotice autoorganizate.”A fost susținut de Fundația Națională pentru științe, cu finanțare suplimentară din partea Departamentului Apărării. Universitatea caută protecția brevetelor și parteneri pentru a aduce tehnologia pe piață.