bildkredit: Joseph Xu, Michigan Engineering
ANN ARBOR—den oöverträffade vätskestyrkan hos brosk, som är cirka 80 procent vatten, tål några av de tuffaste krafterna på våra kroppar.
syntetiska material kunde inte matcha det-tills ”Kevlartilage” utvecklades av forskare vid University of Michigan och Jiangnan University.
”vi vet att vi består mestadels av vatten – allt liv gör-och ändå har våra kroppar mycket strukturell stabilitet”, säger Nicholas Kotov, Joseph B. Och Florence V. Cejka Professor i teknik vid U-M, som ledde studien. ”Att förstå brosk är att förstå hur livsformer kan kombinera egenskaper som ibland är otänkbara tillsammans.”
många personer med ledskador skulle dra nytta av en bra ersättning för brosk, till exempel de 850 000 patienterna i USA som genomgår operationer som tar bort eller ersätter brosk i knäet.
medan andra sorter av syntetiskt brosk redan genomgår kliniska prövningar, faller dessa material i två läger som väljer mellan broskattribut, som inte kan uppnå den osannolika kombinationen av styrka och vatteninnehåll.
de andra syntetiska materialen som efterliknar bruskens fysikaliska egenskaper innehåller inte tillräckligt med vatten för att transportera de näringsämnen som cellerna behöver trivas, sade Kotov.
samtidigt kan hydrogeler-som innehåller vatten i ett nätverk av långa, flexibla molekyler—utformas med tillräckligt med vatten för att stödja tillväxten av kondrocytcellerna som bygger upp naturligt brosk. Men dessa hydrogeler är inte särskilt starka. De riva under stammar en bråkdel av vad brosk kan hantera.
liksom naturligt brosk tål det konstgjorda brosket spänningar genom att släppa ut vatten och kan senare återhämta sig genom att absorbera vatten. Bild kredit: Joseph Xu, Michigan Engineering
den nya Kevlar-baserade hydrogelen återskapar broskens magi genom att kombinera ett nätverk av tuffa nanofibrer från Kevlar—”aramid”—fibrerna som är mest kända för att göra skottsäkra västar-med ett material som vanligtvis används i hydrogelbroskbyten, kallad polyvinylalkohol eller PVA.
i naturligt brosk får nätverket av proteiner och andra biomolekyler sin styrka genom att motstå vattenflödet bland sina kamrar. Trycket från vattnet konfigurerar om nätverket, så att det kan deformeras utan att bryta. Vatten frigörs i processen, och nätverket återhämtar sig genom att absorbera vatten senare.
denna mekanism möjliggör höga slagfogar, som knän, för att stå upp mot straffande krafter. Running upprepade gånger pounds brosket mellan benen, tvingar ut vatten och gör brosket mer smidigt som ett resultat. Då, när löparen vilar, absorberar brosket vatten så att det ger starkt motstånd mot kompression igen.
en elektronmikroskopbild av den syntetiska broskmatrisen. Bildkredit: Lizhi Xu, Kotov Lab
det syntetiska brosket har samma mekanism, släpper ut vatten under stress och återhämtar sig senare genom att absorbera vatten som en svamp. Aramid nanofibers bygger ramverket för materialet, medan PVA fångar vatten inuti nätverket när materialet utsätts för sträckning eller kompression. Även versioner av materialet som var 92 procent vatten var jämförbara i styrka till brosk, med 70-procentversionen som uppnådde motståndskraften hos gummi.
eftersom aramid nanofibers och PVA inte skadar intilliggande celler, förutser Kotov att detta syntetiska brosk kan vara ett lämpligt implantat för vissa situationer, såsom de djupare delarna av knäet. Han undrar också om kondrocyter skulle kunna bosätta sig i det syntetiska nätverket för att producera ett hybridbrosk.
men hans potentiella tillämpningar är inte begränsade till brosk. Han misstänker att liknande nätverk, med olika proportioner av aramid nanofibrer, PVA och vatten, kanske kan stå in för andra mjuka vävnader.
” vi har många membran i kroppen som kräver samma egenskaper. Jag skulle vilja utvärdera utrymmet, ” sade Kotov. ”Jag kommer att prata med läkare om var det akuta behovet är och var denna korsning av fastigheterna gör det möjligt för oss att göra bästa framsteg och största påverkan.”
Kotov är medlem i Biointerfaces Institute, som ger delat utrymme för forskare från U-M: S teknik-och medicinska skolor. Han är också professor i kemiteknik, materialvetenskap och teknik, och makromolekylär vetenskap och teknik.
studien, som nyligen publicerades i avancerade material, heter ” vattenrika biomimetiska kompositer med abiotiskt självorganiserande nanofibernätverk.”Det stöddes av National Science Foundation, med ytterligare finansiering från Försvarsdepartementet. Universitetet söker patentskydd och partners för att få tekniken på marknaden.