Новый коленный хрящ, изготовленный в лаборатории, на 26% прочнее природного хряща при растяжении, что-то вроде подвешивания семи роялей к кольцу для ключей, и на 66% прочнее при сжатии — что было бы похоже на парковку автомобиля на почтовой марке. (Кредит: Даниэль Тиле/Unsplash)
Согласно новому исследованию, новый заменитель коленного хряща на основе геля прочнее и долговечнее настоящего.
Безрецептурные обезболивающие, физиотерапия, инъекции стероидов — некоторые люди испробовали все это и до сих пор борются с болью в коленях.
Часто боль в колене возникает из-за прогрессирующего износа коленного сустава. хрящ известный как остеоартрит, которым страдает почти каждый шестой взрослый — 867 миллионов человек — во всем мире. Для тех, кто хочет избежать замены всего коленного сустава, новый хрящ вскоре может помочь пациентам встать на ноги быстро, безболезненно и оставаться в таком положении.
Как сообщается в журнале Расширенные функциональные материалыМеханические испытания показывают, что гидрогель — материал, изготовленный из водопоглощающих полимеров — можно сжимать и тянуть с большей силой, чем натуральный хрящ, и он в три раза более устойчив к износу.
Имплантаты из этого материала в настоящее время разрабатываются компанией Sparta Biomedical и тестируются на овцах. Исследователи готовятся начать клинические испытания на людях в следующем году.
«Если все пойдет по плану, клинические испытания должны начаться уже в апреле 2023 года», — говорит Бенджамин Уайли, профессор химии Университета Дьюка, который руководил исследованием вместе с Кеном Галлом, профессором машиностроения и материаловедения.
Натуральный коленный хрящ
Чтобы сделать этот материал, команда взяла тонкие листы целлюлозных волокон и наполнила их полимером, называемым поливиниловым спиртом — вязкой слизью, состоящей из нитевидных цепочек повторяющихся молекул — для образования геля.
Волокна целлюлозы действуют как коллагеновые волокна в естественном хряще, говорит Уайли, они придают гелю прочность при растяжении. Поливиниловый спирт помогает ему вернуться к своей первоначальной форме. В результате получается желеобразный материал, состоящий на 60% из воды, эластичный, но удивительно прочный.
Натуральный хрящ может выдерживать колоссальные нагрузки от 5,800 до 8,500 фунтов на дюйм соответственно, прежде чем достигнет предела прочности. Лабораторная версия — это первый гидрогель, способный выдержать даже больше. Он на 26% прочнее естественного хряща на растяжение, что-то вроде подвешивания семи роялей на кольце для ключей, и на 66% прочнее на сжатие — что было бы похоже на парковку автомобиля на почтовой марке.
«Это действительно зашкаливает с точки зрения прочности гидрогеля», — говорит Уайли.
Команда уже создала гидрогели с замечательными свойствами. В 2020 году они сообщили, что создали первый гидрогель. достаточно сильный для коленей, которые при каждом шаге ощущают силу, в два-три раза превышающую вес тела.
Однако практическое использование геля в качестве замены хряща создало дополнительные трудности при разработке. Одним из них было достижение верхних пределов прочности хрящей. Такие действия, как прыжки, выпады или подъем по лестнице, оказывают давление на хрящ в колене около 10 мегапаскалей, или около 1,400 фунтов на квадратный дюйм. Но ткани может потребоваться в четыре раза больше времени, прежде чем она сломается. «Мы знали, что есть возможности для улучшения», — говорит Уайли.
Коленные имплантаты не вечны
В прошлом исследователи, пытавшиеся создать более прочные гидрогели, использовали процесс замораживания-оттаивания для получения кристаллов внутри геля, которые вытесняют воду и помогают удерживать полимерные цепи вместе. В новом исследовании вместо замораживания и оттаивания гидрогеля исследователи использовали термическую обработку, называемую отжигом, чтобы заставить еще больше кристаллов сформироваться в полимерной сетке.
Увеличив содержание кристаллов, исследователи смогли создать гель, способный выдерживать в пять раз большую нагрузку от растяжения и почти в два раза большую нагрузку по сравнению с методами замораживания-оттаивания. Улучшенная прочность отожженного геля также помогла решить вторую задачу дизайна: закрепить его на суставе и заставить его оставаться на месте.
Хрящ образует тонкий слой, покрывающий концы костей, поэтому они не трутся друг о друга. Предыдущие исследования не позволяли прикреплять гидрогели непосредственно к костям или хрящам с достаточной прочностью, чтобы они не отрывались и не соскальзывали. Поэтому команда Duke придумала другой подход.
Их метод крепления включает цементирование и прижатие гидрогеля к титан база. Затем его прижимают и закрепляют в отверстии, где раньше был поврежденный хрящ. Тесты показывают, что конструкция крепится к кости на 68% прочнее, чем натуральный хрящ.
«Еще одна проблема, связанная с коленными имплантатами, — износ с течением времени, как самого имплантата, так и противоположного хряща», — говорит Уайли.
«Радикальное изменение в лечении»
Другие исследователи пытались заменить поврежденный хрящ коленными имплантатами из металла или полиэтилена, но поскольку эти материалы более жесткие, чем хрящ, они могут натирать другие части колена.
В тестах на износ исследователи взяли искусственный хрящ и натуральный хрящ и крутили их друг против друга миллион раз с давлением, подобным тому, которое испытывает колено при ходьбе.
Используя метод рентгеновского сканирования с высоким разрешением, называемый микрокомпьютерной томографией (микро-КТ), ученые обнаружили, что поверхность их лабораторной версии держалась в три раза лучше, чем реальная вещь. Тем не менее, поскольку гидрогель имитирует гладкую, скользкую и податливую природу настоящего хряща, он защищает другие суставные поверхности от трения, когда они скользят по имплантату.
Натуральный хрящ — удивительно прочный материал. Но после повреждения его способность к заживлению ограничена, потому что в нем нет кровеносных сосудов, говорит Уайли.
В Соединенных Штатах, остеоартрит сегодня встречается в два раза чаще, чем столетие назад. Хирургия – это вариант, когда консервативное лечение не помогает. За десятилетия хирурги разработали ряд минимально инвазивных подходов, таких как удаление рыхлого хряща, создание отверстий для стимуляции нового роста или пересадка здорового хряща от донора. Но все эти методы требуют месяцев реабилитации, и некоторые из них со временем терпят неудачу.
Полная замена коленного сустава, как правило, рассматривается как крайняя мера и является проверенным способом облегчить боль. Но и искусственные суставы не вечны. Уайли говорит, что особенно для молодых пациентов, которые хотят избежать серьезной операции из-за устройства, которое нужно будет только заменить снова, «просто не очень хорошие варианты».
«Я думаю, что это будет кардинальным изменением в отношении к людям на данном этапе», — говорит Уайли.
Sparta Biomedical и Shared Materials Instrumentation Facility в Университете Дьюка финансировали работу. Уайли и Галл являются акционерами Sparta Biomedical.
Источник: Университет Дьюка
Похожие книги:
Тело ведет счет: мозг, разум и тело в исцелении травмы
Бессель ван дер Колк
Эта книга исследует связи между травмой и физическим и психическим здоровьем, предлагая идеи и стратегии для исцеления и восстановления.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
Дыхание: новая наука об утерянном искусстве
Джеймс Нестор
Эта книга исследует науку и практику дыхания, предлагая идеи и методы для улучшения физического и психического здоровья.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
Парадокс растений: скрытые опасности «здоровой» пищи, вызывающие болезни и увеличение веса
Стивен Р. Гандри
Эта книга исследует связи между диетой, здоровьем и болезнями, предлагая идеи и стратегии для улучшения общего состояния здоровья и хорошего самочувствия.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
Код иммунитета: новая парадигма настоящего здоровья и радикального омоложения
Джоэл Грин
Эта книга предлагает новый взгляд на здоровье и иммунитет, опираясь на принципы эпигенетики и предлагая идеи и стратегии для оптимизации здоровья и старения.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
Полное руководство по голоданию: исцелите свое тело с помощью прерывистого, чередующегося и длительного голодания
д-р Джейсон Фанг и Джимми Мур
Эта книга исследует науку и практику голодания, предлагая идеи и стратегии для улучшения общего состояния здоровья и хорошего самочувствия.
Нажмите для получения дополнительной информации или для заказа
