Новий колінний хрящ, виготовлений у лабораторії, на 26% сильніший за природний хрящ у розтягуванні, щось на зразок підвішування семи роялів на кільці для ключів, і на 66% сильніший у стисненні — це було б як паркування автомобіля на поштовій марці. (Кредит: Даніель Тіле/Unsplash)
Згідно з новим дослідженням, новий замінник колінного хряща на основі гелю міцніший і довговічніший, ніж справжній.
Знеболювальні, які продаються без рецепта, фізіотерапія, ін’єкції стероїдів — деякі люди спробували все це, але все ще мають справу з болем у колінах.
Часто біль у коліні виникає внаслідок прогресуючого зносу хрящ відомий як остеоартрит, який вражає майже кожного шостого дорослого — 867 мільйонів людей — у всьому світі. Для тих, хто хоче уникнути заміни всього колінного суглоба, новий хрящ може незабаром допомогти пацієнтам швидко, безболісно стати на ноги та залишатися таким.
Як повідомляється в журналі Розширені функціональні матеріали, механічні випробування показали, що гідрогель — матеріал, виготовлений із водопоглинаючих полімерів — можна тиснути та тягнути з більшою силою, ніж природний хрящ, і він утричі стійкіший до зношування.
Імплантати з цього матеріалу зараз розробляються компанією Sparta Biomedical і випробовуються на вівцях. Дослідники готуються розпочати клінічні випробування на людях наступного року.
«Якщо все піде за планом, клінічне випробування має розпочатися вже у квітні 2023 року», — каже Бенджамін Вайлі, професор хімії з Університету Дьюка, який керував дослідженням разом із Кеном Галлом, професором машинобудування та матеріалознавства.
Натуральний колінний хрящ
Щоб зробити цей матеріал, команда взяла тонкі листи целюлозних волокон і наповнила їх полімером під назвою полівініловий спирт — в’язкою липкою речовиною, що складається з тягучих ланцюгів повторюваних молекул — для утворення гелю.
Волокна целюлози діють як колагенові волокна У натуральному хрящі, каже Вайлі, вони надають міцності гелю при розтягуванні. Повернути йому початкову форму допомагає полівініловий спирт. Результатом є матеріал, схожий на желе, на 60% складається з води, який є еластичним, але напрочуд міцним.
Природний хрящ може витримувати колосальне навантаження від 5,800 до 8,500 фунтів на дюйм відповідно, перш ніж досягти точки руйнування. Версія, виготовлена в лабораторії, є першим гідрогелем, який може працювати навіть більше. Він на 26% сильніший за природний хрящ у розтягуванні, щось на зразок підвішування семи роялів до кільця для ключів, і на 66% сильніший у стисненні — це було б як паркування автомобіля на поштовій марці.
«З точки зору міцності гідрогелю, це дійсно зашкалює», — каже Вайлі.
Команда вже створила гідрогелі з чудовими властивостями. У 2020 році вони повідомили, що створили перший гідрогель достатньо міцний для колін, які під час кожного кроку відчувають силу, що в два-три рази перевищує вагу тіла.
Однак практичне використання гелю як замінника хряща викликало додаткові труднощі при проектуванні. Перший – досягнення верхньої межі міцності хряща. Такі види діяльності, як стрибки, випади або підйом по сходах, створюють тиск близько 10 мегапаскалів на хрящ у коліні, або приблизно 1,400 фунтів на квадратний дюйм. Але тканині може знадобитися до чотирьох разів більше, перш ніж вона розірветься. «Ми знали, що є місце для вдосконалення», — каже Вайлі.
Колінні імплантати не діють вічно
У минулому дослідники, намагаючись створити міцніші гідрогелі, використовували процес заморожування-розморожування для отримання кристалів у гелі, які витісняють воду та допомагають утримувати полімерні ланцюги разом. У новому дослідженні замість заморожування та розморожування гідрогелю дослідники використовували термічну обробку під назвою відпал, щоб спонукати до утворення ще більшої кількості кристалів у полімерній мережі.
Збільшивши вміст кристалів, дослідники змогли виготовити гель, який може витримувати в п’ять разів більше навантаження від витягування та майже вдвічі більше стискання порівняно з методами заморожування-розморожування. Покращена міцність відпаленого гелю також допомогла вирішити другу задачу дизайну: закріпити його на з’єднанні та залишити на місці.
Хрящ утворює тонкий шар, який покриває кінці кісток, щоб вони не стиралися одна об одну. Попередні дослідження не змогли прикріпити гідрогелі безпосередньо до кісток або хрящів з достатньою міцністю, щоб утримати їх від розриву або зісковзування. Тож команда Duke запропонувала інший підхід.
Їх спосіб кріплення передбачає цементування та затискання гідрогелю до a титан база. Потім його притискають і закріплюють в отворі, де раніше знаходився пошкоджений хрящ. Випробування показали, що конструкція фіксується на 68% міцніше, ніж природний хрящ на кістці.
«Ще одне занепокоєння щодо колінних імплантатів — це зношування з часом як самого імплантату, так і протилежного хряща», — каже Уайлі.
«Розкісна зміна лікування»
Інші дослідники намагалися замінити пошкоджений хрящ колінними імплантатами з металу або поліетилену, але оскільки ці матеріали жорсткіші за хрящ, вони можуть натирати інші частини коліна.
Під час випробувань на знос дослідники взяли штучний і природний хрящі та обертали їх один проти одного мільйон разів із тиском, подібним до того, який відчуває коліно під час ходьби.
Використовуючи техніку рентгенівського сканування з високою роздільною здатністю, яка називається мікрокомп’ютерною томографією (мікроКТ), вчені виявили, що поверхня виготовленої в лабораторії версії тримається втричі краще, ніж справжня. Проте, оскільки гідрогель імітує гладку, слизьку, м’яку природу справжнього хряща, він захищає інші поверхні суглобів від тертя, коли вони ковзають по імплантату.
Натуральний хрящ надзвичайно міцний матеріал. Але після пошкодження він має обмежену здатність до загоєння, оскільки не має кровоносних судин, каже Вайлі.
В Сполучених Штатах, остеоартрит сьогодні вдвічі частіше, ніж століття тому. Хірургічне втручання є варіантом, коли консервативні методи лікування не дають результатів. Протягом десятиліть хірурги розробили низку мінімально інвазивних підходів, таких як видалення ослабленого хряща або створення отворів для стимуляції нового росту або трансплантація здорового хряща від донора. Але всі ці методи вимагають місяців реабілітації, і деякий відсоток із них з часом не вдається.
Повна заміна колінного суглоба, яка зазвичай вважається крайнім заходом, є перевіреним способом полегшити біль. Але штучні суглоби теж не вічні. Особливо для молодших пацієнтів, які хочуть уникнути серйозної операції з приводу пристрою, який потрібно буде лише замінити знову, Вайлі каже: «просто немає дуже хороших варіантів».
«Я думаю, що це буде драматична зміна в лікуванні людей на даному етапі», — каже Вайлі.
Sparta Biomedical і Shared Materials Instrumentation Facility в Університеті Дьюка фінансували роботу. Вайлі та Галл є акціонерами Sparta Biomedical.
джерело: Університет Дьюка
Схожі книги:
Тіло веде рахунок: мозок, розум і тіло в лікуванні травми
Бесселя ван дер Колка
Ця книга досліджує зв’язки між травмою та фізичним і психічним здоров’ям, пропонуючи ідеї та стратегії зцілення та відновлення.
Натисніть, щоб дізнатися більше або замовити
Дихання: нова наука втраченого мистецтва
Джеймс Нестор
Ця книга досліджує науку та практику дихання, пропонуючи ідеї та методи покращення фізичного та психічного здоров’я.
Натисніть, щоб дізнатися більше або замовити
Парадокс рослин: приховані небезпеки в «здорових» продуктах, які викликають хвороби та збільшення ваги
Стівен Р. Гандрі
Ця книга досліджує зв’язки між дієтою, здоров’ям і хворобою, пропонуючи ідеї та стратегії для покращення загального здоров’я та самопочуття.
Натисніть, щоб дізнатися більше або замовити
Кодекс імунітету: нова парадигма справжнього здоров’я та радикальної боротьби зі старінням
Джоел Грін
Ця книга пропонує новий погляд на здоров’я та імунітет, спираючись на принципи епігенетики та пропонуючи ідеї та стратегії для оптимізації здоров’я та старіння.
Натисніть, щоб дізнатися більше або замовити
Повний посібник із голодування: зцілюйте своє тіло за допомогою періодичного, іншого дня та тривалого голодування
доктора Джейсона Фунга та Джиммі Мура
Ця книга досліджує науку та практику голодування, пропонуючи ідеї та стратегії для покращення загального здоров’я та благополуччя.
