Alai

Image Credit: sebra/.com

Effectieve behandeling en herstel van beschadigd kraakbeen vormen nog steeds een belangrijke uitdaging voor de huidige geneeskunde. Onderzoekers van de Duke University in de VS hebben onlangs een nieuw composietmateriaal op basis van hydrogel gecreëerd dat de sterkte en duurzaamheid van natuurlijk kraakbeenweefsel evenaart. De nieuwe ontwikkeling belooft de beperkingen van de huidige kraakbeenhersteltechnieken te overwinnen.

Articulair kraakbeen is een zeer gespecialiseerd weefsel dat een cruciale rol speelt in het menselijk lichaam. Gezond kraakbeen zorgt voor een wrijvingsarme beweging en een efficiënte gewichtsverdeling in de skeletgewrichten.

Kraakbeen – een natuurlijk wonder

Natuurlijk kraakbeen bestaat uit dun verdeelde chondrocytencellen die ingebed zijn in de extracellulaire matrix van het kraakbeen. Het bestaat hoofdzakelijk uit water (60-85 wt%), 15-22 wt% collageen type II (één van de primaire bindweefsels van het lichaam), en 4-7 wt% glycosaminoglycanen (lange lineaire polysaccharidemoleculen).

Deze drie met elkaar verweven componenten zorgen voor de unieke eigenschappen van het kraakbeenweefsel. Met een gemiddelde dikte van 2,2 mm dringt het kraakbeen gedeeltelijk door in het onderliggende poreuze botweefsel, bedekt het het botoppervlak en zorgt het voor een wrijvingsarme beweging in het gewricht. Tegelijkertijd is het kraakbeen zeer vervormbaar, wat een effectieve verdeling van de belasting mogelijk maakt door het contactoppervlak tussen de tegenover elkaar liggende oppervlakken in het gehele gewricht te vergroten.

Bot- en gewrichtstrauma’s hebben een aanzienlijke impact op de moderne samenleving

Kraakbeenweefsel is verstoken van bloedvaten, wat resulteert in een slechte toevoer van voedingsstoffen en een trage afvoer van afvalstoffen (afhankelijk van diffusie door de kraakbeenmatrix) en de vermindering van de metabolische activiteit van de chondrocyten. Dit beperkt de zelfregeneratie en het intrinsieke herstel.

Naast de normale kraakbeenslijtage na decennia van constant gebruik, dragen bot- en gewrichtsletsels gerelateerd aan sportactiviteiten en verkeersongevallen aanzienlijk bij aan de vraag naar kraakbeenherstelbehandelingen en -producten over de hele wereld, met meer dan 600.000 kniegewrichtsvervangende operaties die elk jaar in de VS worden uitgevoerd, en een wereldwijde kraakbeenherstelmarkt die gewaardeerd wordt op USD 4.80 miljard dollar in 2018.

Op dit moment bieden de meest gebruikelijke behandelingen van beschadigd kraakbeenweefsel alleen symptomatische verlichting op korte termijn (door losse stukjes beschadigd kraakbeen te verwijderen of door donorkraakbeen te transplanteren) of vereisen de vervanging van het beschadigde gewricht door een kunstgewricht. Al deze methoden hebben typisch hoge uitvalpercentages (25-50% na 10 jaar) en vereisen lange revalidatietijden (12 maanden of langer).

De beperkingen van de huidige strategieën voor kraakbeenherstel en -regeneratie hebben geleid tot intense biomedische R&D inspanningen van zowel academische als industriële onderzoeksgroepen die gericht zijn op het ontwikkelen van vervangingsmaterialen met biomechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met natuurlijk kraakbeen.

Slimme materialen kunnen beschadigd kraakbeen helpen herstellen

Een aantal biocompatibele en niet-afbreekbare kunstmatige materialen, zoals kobalt-chroomlegeringen, keramiek en polyethyleen met ultrahoog moleculair gewicht, worden momenteel gebruikt als kraakbeen- of volledige gewrichtsvervangingen. Deze materialen bezitten echter sterk verschillende mechanische eigenschappen in vergelijking met natuurlijk kraakbeen en hebben vaak nadelige effecten op de omliggende botstructuur.

Sinds de jaren 70 hebben hydrogelen (sterk gehydrateerde netwerken van crosslinked hydrofiele polymeren) de aandacht van wetenschappers getrokken als kraakbeenvervangende materialen omwille van hun biocompatibiliteit, hoog watergehalte, en lage permeabiliteit, wat resulteert in een uitzonderlijk smeervermogen, en lage eiwitadsorptie.

De belangrijkste nadelen van deze materialen zijn het gebrek aan breuksterkte en onvoldoende elastische modulus die nodig is om de verwachte belasting in het gewricht te ondersteunen.

Een onderzoeksgroep aan de Duke University, onder leiding van professoren Benjamin Wiley en Ken Gall, heeft een nieuw hydrogel-gebaseerd composietmateriaal gecreëerd dat de fysische eigenschappen en het gedrag van natuurlijk kraakbeenweefsel nabootst.

Lees meer: Hoe kunnen ledematen worden gerepareerd met behulp van recente 3D-printtechnologie?

Zacht en sterk als natuurlijk kraakbeen

Natuurlijk kraakbeen vormt de inspiratiebron voor de structuur van het nieuwe composiet. De hydrogel bestaat uit een bacterieel cellulose (BC) nanovezel netwerk opgenomen in een dubbel netwerk hydrogel gemaakt van crosslinked poly(vinylalcohol) (PVA) en poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propaansulfonzuur natriumzout) (PAMPS).

De drie interpenetrerende netwerken werken samen om de biomechanische eigenschappen van het materiaal te verschaffen. Het BC netwerk draagt bij aan de treksterkte (vergelijkbaar met collageen in kraakbeen), terwijl de PVA en PAMPS netwerken zorgen voor het vasthouden van het benodigde water (59 wt%) en zorgen voor visco-elastische energiedissipatie, elastische herstelkracht (analoog aan het glycosaminoglycan netwerk in kraakbeen) en uniforme spanningsverdeling over het BC netwerk.

Composiet-hydrogel met superieure biomechanische eigenschappen

Met een beschrijving van hun onderzoek in het tijdschrift Advanced Functional Materials, beweren Prof. Wiley en medewerkers dat de nieuwe biomimetische hydrogel het eerste gemanipuleerde materiaal is dat de sterkte en modulus van natuurlijk kraakbeen evenaart in zowel spanning als compressie.

Mechanische testen toonden aan dat, onder compressie, de nieuwe composiet-hydrogel een elastische modulus heeft die vergelijkbaar is met kraakbeen en dezelfde tijdsafhankelijke mechanische respons vertoont. Onder een drukspanning van 1,43 MPa vertoonde het nieuwe materiaal een rek van minder dan 5%. Om dit in context te plaatsen, de drukspanning in het kniegewricht van een 90-kilogram lopende mens is ongeveer 2,5 MPa.

Duurzaam alternatief voor de traditionele kraakbeenvervangende materialen

Op hetzelfde moment is de wrijvingscoëfficiënt van het materiaal 45% lager dan die van kraakbeen en heeft 4.4 keer hogere slijtvastheid dan PVA-only hydrogels (momenteel gebruikt als kraakbeenvervanging), met een vermoeiingssterkte na 100.000 belastingscycli die gelijk is aan die van het natuurlijke kraakbeen.

Lees meer over apparatuur voor materiaalkarakterisering

De drie bestanddelen van de hydrogelcomposiet zijn eerder biocompatibel gebleken en de eerste compatibiliteitstests suggereren dat het materiaal niet giftig is voor in het lab gekweekte cellen.

stappen op weg naar toepassingen in de echte wereld

Als volgende stap wil het onderzoeksteam een implantaat ontwerpen dat geschikt is voor in-vivotests in dieren. Ze voorzien dat binnen drie jaar het nieuwe kraakbeenvervangende materiaal zal worden gebruikt in commerciële therapieën als een beter alternatief voor de traditionele kraakbeenherstelbehandelingen of knievervangende operaties.

Referenties en verder lezen

F. Yang et al., (2020) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage. Geavanceerde Functionele Materialen, 2003451. Beschikbaar op: https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

R. A. Smith (2020) Uit het lab, de eerste kraakbeen-imiterende gel die sterk genoeg is voor knieën. www.today.duke.edu Beschikbaar op: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Geraadpleegd op 14 juli 2020).

M. Irving (2020) Nieuwe hydrogel zou net zo goed kunnen werken als echt kraakbeen in knieprotheses. www.newatlas.com Beschikbaar op: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Geraadpleegd op 14 juli 2020).

M. V. La Roca (2020) Een nieuwe hydrogel kan kniekraakbeen vervangen. www.thepatent.news Beschikbaar op: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Accessed on 14 July 2020).

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

A. R. Martín et al., (2019) Opkomende therapieën voor kraakbeenregeneratie in momenteel uitgesloten ‘rode knie’-populaties. 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

Disclaimer: De hier geuite standpunten zijn die van de auteur, geuit in hun privé hoedanigheid en vertegenwoordigen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van AZoM.com Limited T/A AZoNetwork de eigenaar en exploitant van deze website. Deze disclaimer maakt deel uit van de gebruiksvoorwaarden van deze website.

Citaties