Alai

Image Credit: sebra/.com

Vahingoittuneen ruston tehokas hoito ja korjaaminen ovat edelleen merkittävä haaste nykypäivän lääketieteelle. Yhdysvaltalaisen Duken yliopiston tutkijat ovat hiljattain luoneet uudenlaisen hydrogeelipohjaisen komposiittimateriaalin, joka vastaa luonnollisen rustokudoksen lujuutta ja kestävyyttä. Uusi kehitystyö lupaa voittaa nykyisten rustonkorjaustekniikoiden rajoitukset.

Nivelrusto on pitkälle erikoistunut kudos, jolla on keskeinen rooli ihmiskehossa. Terve rusto huolehtii matalan kitkan liikkeistä ja varmistaa tehokkaan kuormituksen kantamisen ja painon jakautumisen luustonivelissä.

Rusto – Luonnon ihme

Luonnollinen rusto koostuu harvaan jakautuneista kondrosyyttisoluista, jotka ovat upotettuina ruston solunulkoiseen matriisiin. Se koostuu pääasiassa vedestä (60-85 painoprosenttia), 15-22 painoprosenttia tyypin II kollageenista (yksi elimistön ensisijaisista sidekudoksista) ja 4-7 painoprosenttia glykosaminoglykaaneista (pitkät lineaariset polysakkaridimolekyylit).

Nämä kolme toisiinsa kietoutunutta komponenttia antavat rustokudoksen ainutlaatuiset ominaisuudet. Keskimäärin 2,2 mm:n paksuinen rusto tunkeutuu osittain sen alla olevaan huokoiseen luukudokseen, päällystää luun pinnan ja varmistaa nivelessä liikkumisen vähäisellä kitkalla. Samalla rusto on erittäin muodonmuutoskelpoinen, mikä helpottaa tehokasta kuormituksen jakautumista lisäämällä vastakkaisten pintojen välistä kontaktipinta-alaa koko nivelessä.

Luu- ja niveltraumoilla on merkittävä vaikutus nyky-yhteiskunnassa

Rustokudoksessa ei ole verisuonia, mikä johtaa huonoon ravintoaineiden saantoon ja hitaaseen jätetuotteiden poistoon (joka on riippuvainen diffuusiosta rustomatriisin läpi) sekä kondrosyyttien metabolisen aktiivisuuden vähenemiseen. Tämä rajoittaa itsestään tapahtuvaa uusiutumista ja sisäistä korjautumista.

Sen lisäksi, että rusto kuluu normaalisti vuosikymmenien jatkuvan käytön jälkeen, urheilutoimintaan ja liikenneonnettomuuksiin liittyvät luu- ja nivelvammat lisäävät merkittävästi ruston korjaushoitojen ja -tuotteiden kysyntää kaikkialla maailmassa, sillä Yhdysvalloissa tehdään vuosittain yli 600 000 polvinivelen tekonivelleikkausta ja ruston korjauksen maailmanlaajuisten markkinoiden arvo on 4 USD.80 miljardia euroa vuonna 2018.

Tällä hetkellä yleisimmät vaurioituneen rustokudoksen hoidot tarjoavat vain lyhytaikaista oireiden lievittämistä (poistamalla irtonaisia vaurioituneen ruston kappaleita tai siirtämällä luovuttajarustoa) tai edellyttävät vaurioituneen nivelen korvaamista tekonivelellä. Kaikkien näiden menetelmien epäonnistumisprosentti on tyypillisesti korkea (25-50 % 10 vuoden kuluttua), ja ne vaativat pitkää kuntoutusaikaa (12 kuukautta tai pidempään).

Ruston korjaamiseen ja uudistamiseen käytettävien nykyisten strategioiden rajoitukset ovat herättäneet voimakasta biolääketieteellistä T&K-toimintaa sekä akateemisissa että teollisissa tutkimusryhmissä, jotka pyrkivät kehittämään korvaavia materiaaleja, joilla on samankaltaiset biomekaaniset ominaisuudet kuin luonnollisella rustolla.

Älykkäät materiaalit voivat auttaa korjaamaan vaurioitunutta rustoa

Moneita bioyhteensopivia ja hajoamattomia teknisiä materiaaleja, kuten koboltti-kromiseoksia, keramiikkaa ja ultrakorkean molekyylipainon omaavaa polyeteeniä, käytetään tällä hetkellä ruston tai koko nivelen korvaavina aineina. Näillä materiaaleilla on kuitenkin huomattavasti erilaiset mekaaniset ominaisuudet kuin luonnollisella rustolla, ja niillä on usein haitallisia vaikutuksia ympäröivään luustorakenteeseen.

Hydrogeelit (voimakkaasti hydratoituneet verkostot, jotka koostuvat ristisilloitetuista hydrofiilisistä polymeereistä) ovat 1970-luvulta lähtien herättäneet tutkijoiden huomion ruston korvikemateriaaleina, koska ne ovat biologisesti yhteensopivia, niiden vesipitoisuus on korkea ja läpäisevyys on alhainen, mikä johtaa poikkeukselliseen voitelukykyyn ja vähäiseen proteiinien adsorptioon.

Tärkeimpiä haittapuolia näissä materiaaleissa ovat murtolujuuden puute ja riittämätön kimmomoduuli, jota tarvitaan nivelessä odotettavissa olevan kuormituksen kantamiseen.

Duken yliopiston tutkimusryhmä on professoreiden Benjamin Wileyn ja Ken Gallin johdolla luonut uudenlaisen hydrogeelipohjaisen komposiittimateriaalin, joka jäljittelee luonnollisen rustokudoksen fysikaalisia ominaisuuksia ja käyttäytymistä.

Lue lisää: How Could Limbs be Repaired using Recent 3D Printing Technology?

Soft and Strong as Natural Cartilage

Luonnollinen rusto inspiroi uuden komposiitin rakennetta. Hydrogeeli koostuu bakteeriselluloosan (BC) nanokuituverkostosta, joka on sisällytetty kaksoisverkostohydrogeeliin, joka on valmistettu ristisilloitetusta poly(vinyylialkoholista) (PVA) ja poly(2-akryyliamido-2-metyyli-1-propanesulfonihapon natriumsuolasta) (PAMPS).

Kolme toisiinsa tunkeutuvaa verkostoa toimivat yhdessä tuottaen materiaalin biomekaaniset ominaisuudet. BC-verkko edistää vetolujuutta (samalla tavoin kuin kollageeni rustossa), kun taas PVA- ja PAMPS-verkot varmistavat tarvittavan veden (59 painoprosenttia) pidättymisen ja huolehtivat viskoelastisesta energian haihduttamisesta, elastisesta palautusvoimasta (analogisesti rustossa olevan glykosaminoglykaaniverkon kanssa) ja jännityksen tasaisesta jakautumisesta BC-verkossa.

Komposiittihydrogeeli, jolla on erinomaiset biomekaaniset ominaisuudet

Kuvaavat tutkimustuloksiaan Advanced Functional Materials -lehdessä professori Wiley ja työtoverit väittävät, että uusi biomimeettinen hydrogeeli on ensimmäinen suunniteltu materiaali, joka vastaa luonnollisen ruston lujuutta ja moduulia sekä veto- että puristustilanteessa.

Mekaaniset testit osoittivat, että uudella komposiittihydrogeelillä on puristustilanteessa samankaltainen kimmomoduuli kuin rustolla, ja sen mekaaninen reaktio on samanlainen kuin puristettaessa. Kun puristusjännitys oli 1,43 MPa, uuden materiaalin muodonmuutos oli alle 5 %. Asiaan nähden 90 kiloa kävelevän ihmisen polvinivelen puristusjännitys on noin 2,5 MPa.

Kestävä vaihtoehto perinteisille rustokorvakorvausmateriaaleille

Materiaalin kitkakerroin on 45 % pienempi kuin ruston, ja sillä on 4.4 kertaa suurempi kulutuskestävyys kuin pelkillä PVA:lla toimivilla hydrogeeleillä (joita nykyisin käytetään ruston korvaavina materiaaleina), ja sen väsymislujuus 100 000 kuormitussyklin jälkeen vastaa luonnollisen ruston väsymislujuutta.

Learn more about materials characterization equipment

Hydrogeelikomposiitin kolmen ainesosan on aiemmin osoitettu olevan bioyhteensopivia, ja ensimmäiset yhteensopivuustestit viittaavat siihen, että materiaali ei ole myrkyllinen laboratoriossa kasvatetuille soluille.

Vaiheet kohti reaalimaailman sovelluksia

Seuraavana askeleena tutkijaryhmän tavoitteena on suunnitella implantti, joka soveltuu eläimillä suoritettavaan in vivo -testiin. He kaavailevat, että kolmen vuoden kuluessa uutta ruston korvaavaa materiaalia käytetään kaupallisissa hoidoissa parempana vaihtoehtona perinteisille rustonkorjaushoidoille tai polven korvaaville leikkauksille.

Viitteet ja lisälukemista

F. Yang et al., (2020) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage. Advanced Functional Materials, 2003451. Saatavilla osoitteessa: https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

R. A. Smith (2020) Laboratoriosta ensimmäinen rustoa jäljittelevä geeli, joka on tarpeeksi vahva polviin. www.today.duke.edu Saatavissa osoitteessa: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Luettu 14.7.2020).

M. Irving (2020) Uusi hydrogeeli voisi toimia yhtä hyvin kuin oikea rusto polviproteeseissa. www.newatlas.com Saatavissa osoitteessa: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Luettu 14.7.2020).

M. V. La Roca (2020) Uusi hydrogeeli voi korvata polven rustoa. www.thepatent.news Saatavissa osoitteessa: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Luettu 14.7.2020).

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com Saatavilla osoitteessa: http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Luettu 14.7.2020).

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

C. M. Beddoes et al., (2016) Hydrogeelit vaurioituneen nivelen hyaliiniruston korvaavana materiaalina. Materials (Basel), 9, 443. Available at: https://doi.org/10.3390/ma9060443

Disclaimer: Tässä esitetyt näkemykset ovat kirjoittajan yksityisessä ominaisuudessaan esittämiä näkemyksiä eivätkä välttämättä edusta tämän verkkosivuston omistajan ja ylläpitäjän AZoM.com Limited T/A AZoNetworkin näkemyksiä. Tämä vastuuvapauslauseke on osa tämän verkkosivuston käyttöehtoja.

Sitaatit

.