Alai

Image Credit: sebra/.com

Effektiv behandling og reparation af beskadiget brusk udgør stadig en betydelig udfordring for dagens medicin. Forskere på Duke University i USA har for nylig skabt et nyt hydrogelbaseret kompositmateriale, der matcher det naturlige bruskvævs styrke og holdbarhed. Den nye udvikling lover at overvinde begrænsningerne i de nuværende bruskreparationsteknikker.

Artikulær brusk er et højt specialiseret væv, der spiller en afgørende rolle i menneskekroppen. Sund brusk giver bevægelser med lav friktion og sikrer effektiv belastning og vægtfordeling i skeletleddene.

Brusk – et naturligt vidunder

Naturlig brusk består af sparsomt fordelte chondrocytceller, der er indlejret i bruskens ekstracellulære matrix. Det består hovedsageligt af vand (60-85 vægtprocent), 15-22 vægtprocent type II kollagen (et af kroppens primære bindevæv) og 4-7 vægtprocent glykosaminoglykaner (lange lineære polysaccharidmolekyler).

Disse tre sammenflettede komponenter giver bruskvævet dets unikke egenskaber. Med en gennemsnitlig tykkelse på 2,2 mm trænger brusken delvist ind i det underliggende porøse knoglevæv, belægger knogleoverfladen og sikrer bevægelser med lav friktion i leddet. Samtidig er brusk meget deformerbar, hvilket letter effektiv belastningsfordeling ved at øge kontaktarealet mellem de modsatte overflader i hele leddet.

Bone and Joint Trauma have a Significant Impact on Modern Society

Knorpelvæv er blottet for blodkar, hvilket resulterer i dårlig næringsstofforsyning og langsom affaldsproduktudtrækning (afhængig af diffusion gennem bruskmatrixen) og reduktion af chondrocytternes metaboliske aktivitet. Dette begrænser selvregenerationen og den iboende reparation.

Suden den normale slitage af brusk efter årtiers konstant brug bidrager knogle- og ledskader i forbindelse med sportsaktiviteter og trafikulykker betydeligt til efterspørgslen efter bruskreparationsbehandling og -produkter over hele verden, med over 600.000 knæledserstatningsoperationer udført i USA hvert år, og et globalt marked for bruskreparation vurderet til 4 USD.80 mia. kr. i 2018.

I øjeblikket giver de mest almindelige behandlinger af beskadiget bruskvæv kun kortvarig symptomlindring (ved at fjerne løse stykker beskadiget brusk eller ved at transplantere donorbrusk) eller kræver udskiftning af det beskadigede led med et kunstigt led. Alle disse metoder har typisk en høj fejlprocent (25-50 % efter 10 år) og kræver lang rehabiliteringstid (12 måneder eller mere).

Begrænsningerne i de nuværende strategier til reparation og regenerering af brusk har udløst en intens biomedicinsk F&U-indsats fra både akademiske og industrielle forskningsgrupper, der sigter mod at udvikle erstatningsmaterialer med biomekaniske egenskaber, der ligner naturlig brusk.

Smarte materialer kan hjælpe med at reparere beskadiget brusk

Flere biokompatible og ikke nedbrydelige konstruerede materialer, såsom kobolt-kromlegeringer, keramik og polyethylen med ultrahøj molekylvægt, anvendes i øjeblikket som brusk- eller hele lederstatninger. Disse materialer har imidlertid væsentligt anderledes mekaniske egenskaber end naturlig brusk og har ofte negative virkninger på den omgivende knoglestruktur.

Siden 1970’erne har hydrogeler (stærkt hydrerede netværk af tværbundne hydrofile polymerer) tiltrukket sig forskernes opmærksomhed som bruskerstatningsmaterialer på grund af deres biokompatibilitet, høje vandindhold og lave permeabilitet, hvilket resulterer i en usædvanlig smøreevne og en lav proteinadsorption.

De største ulemper ved disse materialer er den manglende brudstyrke og det utilstrækkelige elasticitetsmodul, som er nødvendigt for at kunne bære den forventede belastning i leddet.

En forskergruppe på Duke University, ledet af professorerne Benjamin Wiley og Ken Gall, har skabt et nyt hydrogelbaseret kompositmateriale, der efterligner de fysiske egenskaber og opførsel af naturligt bruskvæv.

Læs mere:

Blød og stærk som naturlig brusk

Naturlig brusk inspirerer strukturen i det nye kompositmateriale. Hydrogelen består af et bakteriecellulose (BC)-nanofibrenetværk inkorporeret i en dobbeltnetværkshydrogel fremstillet af tværbunden poly(vinylalkohol) (PVA) og poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsyre-natriumsalt) (PAMPS).

De tre gennemtrængende netværk arbejder sammen for at give materialet dets biomekaniske egenskaber. BC-netværket bidrager til trækstyrken (svarende til kollagen i brusk), mens PVA- og PAMPS-netværkene sikrer tilbageholdelse af det nødvendige vand (59 vægtprocent) og sørger for viskoelastisk energidissipation, elastisk genopretningskraft (svarende til glykosaminoglykan-netværket i brusk) og ensartet spændingsfordeling på tværs af BC-netværket.

Komposithydrogel med overlegne biomekaniske egenskaber

I en beskrivelse af deres forskning i tidsskriftet Advanced Functional Materials hævder professor Wiley og medarbejdere, at den nye biomimetiske hydrogel er det første konstruerede materiale, der matcher styrken og modulet af naturlig brusk i både spænding og kompression.

Mekanisk test viste, at den nye komposithydrogel under kompression har et elastisk modul svarende til brusk og udviser den samme tidsafhængige mekaniske respons. Under en kompressionsspænding på 1,43 MPa udviste det nye materiale en deformation på mindre end 5 %. For at sætte dette i sammenhæng er kompressionsspændingen i knæleddet hos et 90-kilograms gående menneske ca. 2,5 MPa.

Durabelt alternativ til de traditionelle bruskudskiftningsmaterialer

Samtidig er materialets friktionskoefficient 45 % lavere end bruskens og har 4.4 gange højere slidstyrke end PVA-only hydrogels (der i øjeblikket anvendes som bruskudskiftning) og udviser træthedsstyrke efter 100.000 belastningscyklusser svarende til den naturlige brusk.

Lær mere om udstyr til karakterisering af materialer

De tre bestanddele i hydrogelkompositten er tidligere blevet påvist at være biokompatible, og de første kompatibilitetstests tyder på, at materialet ikke er giftigt for laboratorieavlede celler.

Skridt mod reelle anvendelser i verden

Som næste skridt sigter forskerholdet mod at designe et implantat, der er egnet til in vivo-afprøvning på dyr. De forestiller sig, at det nye bruskudskiftningsmateriale inden for tre år vil blive anvendt i kommercielle behandlinger som et bedre alternativ til de traditionelle bruskreparationsbehandlinger eller knæudskiftningsoperationer.

Referencer og yderligere læsning

F. Yang et al., (2020) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage (Et syntetisk hydrogelkomposit med bruskens mekaniske adfærd og holdbarhed). Advanced Functional Materials, 2003451. Tilgængelig på: https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

R. A. Smith (2020) From the lab, the first cartilage-mimicking gel that’s strong enough for knees. www.today.duke.edu Tilgængelig på: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Tilgået den 14. juli 2020).

M. Irving (2020) Ny hydrogel kan fungere lige så godt som ægte brusk i knæproteser. www.newatlas.com Tilgængelig på: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Tilgået den 14. juli 2020).

M. V. La Roca (2020) A new hydrogel can replace knee cartilage. www.thepatent.news Tilgængelig på: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Besøgt den 14. juli 2020).

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com Tilgængelig på:

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Tilgået den 14. juli 2020).

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

C. M. Beddoes et al., (2016) Hydrogels as a Replacement Material for Damaged Articular Hyaline Cartilage (Hydrogeler som erstatningsmateriale for beskadiget ledbrusk). Materialer (Basel), 9, 443. Available at: https://doi.org/10.3390/ma9060443

Disclaimer: De synspunkter, der kommer til udtryk her, er forfatterens egne, der er udtrykt i deres private egenskab, og repræsenterer ikke nødvendigvis synspunkterne hos AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, ejeren og operatøren af dette websted. Denne ansvarsfraskrivelse er en del af vilkårene og betingelserne for brug af dette websted.

Citationer