Alai

Obrázek: sebra/.com

Efektivní léčba a oprava poškozené chrupavky stále představují pro dnešní medicínu značnou výzvu. Vědci z Dukeovy univerzity v USA nedávno vytvořili nový kompozitní materiál na bázi hydrogelu, který se vyrovná pevnosti a trvanlivosti přirozené chrupavčité tkáně. Nový vývoj slibuje překonat omezení současných technik opravy chrupavky.

Kloubní chrupavka je vysoce specializovaná tkáň, která hraje v lidském těle klíčovou roli. Zdravá chrupavka zajišťuje pohyb s nízkým třením a zajišťuje účinné přenášení zátěže a rozložení hmotnosti v kosterních kloubech.

Chrupavka – přírodní zázrak

Přírodní chrupavka se skládá z řídce rozmístěných buněk chondrocytů uložených v extracelulární matrix chrupavky. Skládá se převážně z vody (60-85 % hm.), 15-22 % hm. kolagenu typu II (jedna ze základních pojivových tkání v těle) a 4-7 % hm. glykosaminoglykanů (dlouhé lineární polysacharidové molekuly).

Tyto tři vzájemně provázané složky zajišťují jedinečné vlastnosti chrupavčité tkáně. Chrupavka o průměrné tloušťce 2,2 mm částečně prostupuje pod ní ležící porézní kostní tkání, pokrývá povrch kosti a zajišťuje pohyb v kloubu s nízkým třením. Zároveň je chrupavka vysoce deformovatelná, což usnadňuje účinné rozložení zátěže zvětšením kontaktní plochy mezi protilehlými povrchy v celém kloubu.

Kostní a kloubní traumata mají významný dopad na moderní společnost

Chrupavčitá tkáň postrádá krevní cévy, což má za následek špatné zásobování živinami a pomalou extrakci odpadních produktů (závisí na difuzi přes matrix chrupavky) a snížení metabolické aktivity chondrocytů. To omezuje vlastní regeneraci a vnitřní opravu.

Kromě běžného opotřebení chrupavky po desetiletích neustálého používání se na poptávce po léčbě a výrobcích na opravu chrupavky po celém světě významně podílejí poranění kostí a kloubů související se sportovními aktivitami a dopravními nehodami, přičemž v USA se ročně provede více než 600 000 operací náhrad kolenního kloubu a celosvětový trh s opravami chrupavky má hodnotu 4 USD.80 miliard EUR v roce 2018.

V současné době nejběžnější způsoby léčby poškozené chrupavčité tkáně poskytují pouze krátkodobou symptomatickou úlevu (odstraněním volných kusů poškozené chrupavky nebo transplantací dárcovské chrupavky) nebo vyžadují náhradu poškozeného kloubu umělým. Všechny tyto metody mají obvykle vysokou míru selhání (25-50 % po 10 letech) a vyžadují dlouhou dobu rehabilitace (12 měsíců nebo déle).

Omezení současných strategií pro opravu a regeneraci chrupavky podnítily intenzivní biomedicínské výzkumné úsilí R&D akademických i průmyslových výzkumných skupin zaměřené na vývoj náhradních materiálů s biomechanickými vlastnostmi podobnými přirozené chrupavce.

Chytré materiály mohou pomoci opravit poškozenou chrupavku

V současné době se jako náhrady chrupavky nebo celého kloubu používá několik biokompatibilních a nerozložitelných umělých materiálů, jako jsou kobalt-chromové slitiny, keramika a ultravysokomolekulární polyetylen. Tyto materiály však mají výrazně odlišné mechanické vlastnosti ve srovnání s přirozenou chrupavkou a často mají nepříznivé účinky na okolní kostní strukturu.

Od 70. let 20. století přitahují pozornost vědců hydrogely (vysoce hydratované sítě zesíťovaných hydrofilních polymerů) jako materiály nahrazující chrupavku díky své biokompatibilitě, vysokému obsahu vody a nízké propustnosti, což vede k výjimečné lubrikační schopnosti a nízké adsorpci proteinů.

Hlavní nevýhodou těchto materiálů je nedostatečná pevnost v lomu a nedostatečný modul pružnosti, který je nutný k udržení očekávaného zatížení v kloubu.

Výzkumná skupina na Duke University pod vedením profesorů Benjamina Wileyho a Kena Galla vytvořila nový kompozitní materiál na bázi hydrogelu, který napodobuje fyzikální vlastnosti a chování přirozené chrupavčité tkáně.

Přečtěte si více:

Měkká a pevná jako přírodní chrupavka

Přírodní chrupavka je inspirací pro strukturu nového kompozitu. Hydrogel se skládá ze sítě nanovláken bakteriální celulózy (BC) začleněné do dvojité sítě hydrogelu ze zesíťovaného poly(vinylalkoholu) (PVA) a poly(2-akrylamido-2-methyl-1-propansulfonové soli kyseliny sodné) (PAMPS).

Tři vzájemně se prostupující sítě společně zajišťují biomechanické vlastnosti materiálu. Síť BC přispívá k pevnosti v tahu (podobně jako kolagen v chrupavce), zatímco sítě PVA a PAMPS zajišťují zadržování potřebné vody (59 % hmot.) a zajišťují viskoelastický rozptyl energie, elastickou obnovovací sílu (obdobně jako glykosaminoglykanová síť v chrupavce) a rovnoměrné rozložení napětí v síti BC.

Kompozitní hydrogel s vynikajícími biomechanickými vlastnostmi

Prof. Wiley a spolupracovníci popisují svůj výzkum v časopise Advanced Functional Materials a tvrdí, že nový biomimetický hydrogel je prvním umělým materiálem, který odpovídá pevnosti a modulu přirozené chrupavky jak v tahu, tak v tlaku.

Mechanické testy prokázaly, že při tlaku má nový kompozitní hydrogel modul pružnosti podobný chrupavce a vykazuje stejnou mechanickou odezvu v závislosti na čase. Při tlakovém namáhání 1,43 MPa vykazoval nový materiál deformaci menší než 5 %. Pro představu, tlakové napětí v kolenním kloubu 90kilogramového chodícího člověka je přibližně 2,5 MPa.

Trvanlivá alternativa k tradičním materiálům pro náhradu chrupavky

Koeficient tření materiálu je přitom o 45 % nižší než u chrupavky a má 4,5 MPa.4krát vyšší odolnost proti opotřebení než hydrogely obsahující pouze PVA (v současnosti používané jako náhrada chrupavky) a vykazuje únavovou pevnost po 100 000 zátěžových cyklech odpovídající pevnosti přirozené chrupavky.

Zjistěte více o zařízení pro charakterizaci materiálů

Tři složky hydrogelového kompozitu byly již dříve prokázány jako biokompatibilní a první testy kompatibility naznačují, že materiál není toxický pro laboratorně pěstované buňky.

Kroky k reálným aplikacím

V dalším kroku chce výzkumný tým navrhnout implantát vhodný pro testování in vivo na zvířatech. Předpokládají, že do tří let bude nový materiál pro náhradu chrupavky používán v komerčních terapiích jako lepší alternativa k tradičním způsobům opravy chrupavky nebo operacím náhrady kolenního kloubu.

Odkazy a další literatura

F. Yang a kol, (2020) Syntetický hydrogelový kompozit s mechanickým chováním a trvanlivostí chrupavky. Pokročilé funkční materiály, 2003451. Dostupné na: https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

R. A. Smith (2020) Z laboratoře, první gel napodobující chrupavku, který je dostatečně pevný pro kolena. www.today.duke.edu Dostupné na: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Přístup 14. července 2020).

M. Irving (2020) New hydrogel could work as well as real cartilage in knee replacements. www.newatlas.com Dostupné na: www.newatlas.com: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Přístup 14. července 2020).

M. V. La Roca (2020) Nový hydrogel může nahradit kolenní chrupavku. www.thepatent.news Dostupné na: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Přístup 14. července 2020).

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com Dostupné na internetu: http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Přístup 14. července 2020).

A. R. Martín et al. (2019) Emerging therapies for cartilage regeneration in currently excluded ‚red knee‘ populations. npj Regen Med 4, 12. Dostupné na: https://doi.org/10.1038/s41536-019-0074-7

C. M. Beddoes a kol, (2016) Hydrogely jako náhradní materiál pro poškozenou kloubní hyalinní chrupavku. Materials (Basel), 9, 443. Dostupné na: https://doi.org/10.3390/ma9060443

Odmítnutí odpovědnosti: Názory zde vyjádřené jsou názory autora, které vyjádřil jako soukromá osoba, a nemusí nutně vyjadřovat názory společnosti AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, vlastníka a provozovatele těchto webových stránek. Toto prohlášení o vyloučení odpovědnosti je součástí podmínek používání těchto webových stránek.

Citace

.