Alai

Image Credit: sebra/.com

A sérült porcok hatékony kezelése és helyreállítása még mindig jelentős kihívást jelent a mai orvostudomány számára. Az amerikai Duke Egyetem kutatói a közelmúltban egy újszerű hidrogél alapú kompozit anyagot hoztak létre, amely megfelel a természetes porcszövet szilárdságának és tartósságának. Az új fejlesztés a jelenlegi porcjavítási technikák korlátainak leküzdését ígéri.

Az ízületi porc egy magasan specializált szövet, amely kulcsfontosságú szerepet játszik az emberi szervezetben. Az egészséges porc biztosítja az alacsony súrlódású mozgást, valamint a hatékony teherbírást és súlyelosztást a vázízületekben.

A porc – egy természetes csoda

A természetes porc a porc extracelluláris mátrixába ágyazott, ritkán eloszló kondrocita sejtekből áll. Főleg vízből (60-85 tömegszázalék), 15-22 tömegszázalék II. típusú kollagénből (a szervezet egyik elsődleges kötőszövetéből) és 4-7 tömegszázalék glikozaminoglikánokból (hosszú lineáris poliszacharid molekulák) áll.

Ez a három egymásba fonódó összetevő adja a porcszövet egyedülálló tulajdonságait. Az átlagosan 2,2 mm vastagságú porc részben behatol az alatta lévő porózus csontszövetbe, bevonja a csontfelszínt, és alacsony súrlódású mozgást biztosít az ízületben. Ugyanakkor a porc nagymértékben deformálható, ami megkönnyíti a hatékony terheléseloszlást azáltal, hogy az egész ízületben növeli az ellentétes felületek közötti érintkezési felületet.

A csont- és ízületi traumának jelentős hatása van a modern társadalomra

A porcszövetnek nincsenek vérerei, ami gyenge tápanyagellátást és lassú salakanyagkivonást (a porcmátrixon keresztül történő diffúzióra támaszkodva), valamint a kondrociták metabolikus aktivitásának csökkenését eredményezi. Ez korlátozza az önregenerációt és az intrinsic javítást.

Az évtizedekig tartó folyamatos használat után bekövetkező normális porckopás mellett a sporttevékenységekhez és közúti balesetekhez kapcsolódó csont- és ízületi sérülések jelentősen hozzájárulnak a porcjavító kezelések és termékek iránti kereslethez világszerte: az USA-ban évente több mint 600 000 térdízületi csere műtétet végeznek, és a porcjavítás globális piacának értéke 4 USD.80 milliárd dollárra becsülik 2018-ban.

A sérült porcszövet leggyakoribb kezelései jelenleg csak rövid távú tüneti enyhítést nyújtanak (a sérült porc laza darabjainak eltávolításával vagy donorporc átültetésével), vagy a sérült ízület műízületre való cseréjét teszik szükségessé. Mindezek a módszerek jellemzően magas hibaaránnyal járnak (25-50% 10 év után) és hosszú rehabilitációs időt igényelnek (12 hónap vagy annál hosszabb).

A porcjavítás és -regeneráció jelenlegi stratégiáinak korlátai intenzív orvosbiológiai K&D erőfeszítéseket váltottak ki mind az akadémiai, mind az ipari kutatócsoportokból, amelyek célja a természetes porchoz hasonló biomechanikai tulajdonságokkal rendelkező pótlóanyagok kifejlesztése.

Az intelligens anyagok segíthetnek a sérült porcok javításában

Sok biokompatibilis és nem lebomló mesterséges anyagot, például kobalt-króm ötvözeteket, kerámiákat és ultra-nagy molekulasúlyú polietilént használnak jelenleg porc- vagy teljes ízületi pótlásra. Ezek az anyagok azonban a természetes porcoktól jelentősen eltérő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és gyakran káros hatással vannak a környező csontszerkezetre.

A hidrogélek (keresztkötésű hidrofil polimerek erősen hidratált hálózatai) az 1970-es évek óta vonzzák a tudósok figyelmét porcpótló anyagként, mivel biokompatibilisek, magas víztartalmuk és alacsony permeabilitásuk miatt kivételes kenési képességet és alacsony fehérjeadszorpciót eredményeznek.

Ezeknek az anyagoknak a fő hátránya a törési szilárdság hiánya és a nem megfelelő rugalmassági modulus, amely az ízületben várható terhelés elviseléséhez szükséges.

A Duke Egyetem kutatócsoportja Benjamin Wiley és Ken Gall professzorok vezetésével újszerű hidrogél alapú kompozit anyagot hozott létre, amely utánozza a természetes porcszövet fizikai tulajdonságait és viselkedését.

Bővebben:

Lágy és erős, mint a természetes porc

A természetes porc ihlette az új kompozit szerkezetét. A hidrogél bakteriális cellulóz (BC) nanoszálas hálózatból áll, amely egy kettős hálózatú hidrogélbe van beépítve, amely térhálósított poli(vinil-alkoholból) (PVA) és poli(2-akrilamid-2-metil-1-propánszulfonsav nátriumsóból) (PAMPS) áll.

A három egymásba hatoló hálózat együttesen biztosítja az anyag biomechanikai tulajdonságait. A BC hálózat hozzájárul a szakítószilárdsághoz (a porcban lévő kollagénhez hasonlóan), míg a PVA és a PAMPS hálózatok biztosítják a szükséges víz visszatartását (59 tömegszázalék), és viszkoelasztikus energiaeloszlást, rugalmas visszaállító erőt (a porcban lévő glikozaminoglikán hálózathoz hasonlóan) és egyenletes feszültségeloszlást biztosítanak a BC hálózaton.

Kompozit hidrogél kiváló biomechanikai tulajdonságokkal

A kutatásukat az Advanced Functional Materials című folyóiratban ismertetve Wiley professzor és munkatársai azt állítják, hogy az új biomimetikus hidrogél az első olyan mesterséges anyag, amely mind húzás, mind összenyomás esetén megfelel a természetes porc szilárdságának és modulusának.

A mechanikai vizsgálatok kimutatták, hogy összenyomás esetén az új kompozit hidrogél rugalmassági modulusa hasonló a porcéhoz és ugyanolyan időfüggő mechanikai választ mutat. Az 1,43 MPa nyomófeszültség alatt az új anyag 5% alatti alakváltozást mutatott. Hogy ezt kontextusba helyezzük, egy 90 kilogramm súlyú, járni tudó ember térdízületében a nyomófeszültség körülbelül 2,5 MPa.

A hagyományos porcpótló anyagok tartós alternatívája

Az anyag súrlódási együtthatója ugyanakkor 45%-kal alacsonyabb, mint a porcé és 4.4-szer nagyobb kopásállóságot mutat, mint a kizárólag PVA hidrogélek (amelyeket jelenleg porcpótlásra használnak), és 100 000 terhelési ciklus után a természetes porcéval megegyező fáradási szilárdságot mutat.

Tudjon meg többet az anyagjellemző berendezésekről

A hidrogélkompozit három alkotóeleméről korábban bebizonyosodott, hogy biokompatibilisek, és az első kompatibilitási tesztek azt mutatják, hogy az anyag nem toxikus a laboratóriumban tenyésztett sejtekre.

Lépések a valós alkalmazások felé

A kutatócsoport következő lépésként olyan implantátumot kíván tervezni, amely alkalmas in vivo tesztelésre állatokon. Elképzeléseik szerint három éven belül az új porcpótló anyagot kereskedelmi terápiákban fogják alkalmazni, a hagyományos porcjavító kezelések vagy térdprotézis műtétek jobb alternatívájaként.

Hivatkozások és további olvasnivalók

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

R. A. Smith (2020) A laboratóriumból az első porcot utánzó gél, amely elég erős a térdekhez. www.today.duke.edu Elérhető az alábbi címen: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Hozzáférés: 2020. július 14.)

M. Irving (2020) New hydrogel could work as well as well as real cartilage in knee replactions. www.newatlas.com Elérhető a következő címen: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Hozzáférés: 2020. július 14.).

M. V. La Roca (2020) A new hydrogel can replace knee cartilage. www.thepatent.news Elérhető a következő címen: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Hozzáférés: 2020. július 14.).

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com Available at: http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Hozzáférés: 2020. július 14.).

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. Materials (Basel), 9, 443. Available at: https://doi.org/10.3390/ma9060443

Kizáró nyilatkozat: Az itt kifejtett nézetek a szerző magánjellegűek, és nem feltétlenül képviselik az AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, a weboldal tulajdonosának és üzemeltetőjének nézeteit. Ez a kizáró nyilatkozat a weboldal használati feltételeinek részét képezi.

Hivatkozások