Alai

Image Credit: sebra/.com

Skuteczne leczenie i naprawa uszkodzonej chrząstki nadal stanowią poważne wyzwanie dla dzisiejszej medycyny. Naukowcy z Duke University w USA stworzyli niedawno nowy materiał kompozytowy na bazie hydrożelu, który dorównuje wytrzymałością i trwałością naturalnej tkance chrzęstnej. Nowy rozwój obiecuje przezwyciężyć ograniczenia obecnych technik naprawy chrząstki.

Chrzęstka stawowa jest wysoce wyspecjalizowaną tkanką, która odgrywa kluczową rolę w ludzkim organizmie. Zdrowa chrząstka zapewnia ruch o niskim współczynniku tarcia oraz gwarantuje skuteczne przenoszenie obciążeń i rozkład ciężaru w stawach szkieletowych.

Chrzęstka – cud natury

Naturalna chrząstka składa się z rzadko rozmieszczonych komórek chondrocytów osadzonych w macierzy zewnątrzkomórkowej chrząstki. Składa się ona głównie z wody (60-85% mas.), 15-22% mas. kolagenu typu II (jednej z podstawowych tkanek łącznych organizmu) i 4-7% mas. glikozaminoglikanów (długich liniowych cząsteczek polisacharydów).

Te trzy powiązane ze sobą składniki zapewniają unikalne właściwości tkanki chrzęstnej. Przy średniej grubości 2,2 mm chrząstka częściowo penetruje znajdującą się pod nią porowatą tkankę kostną, pokrywając powierzchnię kości i zapewniając ruch o niskim tarciu w stawie. Jednocześnie chrząstka jest wysoce odkształcalna, co ułatwia efektywne rozłożenie obciążenia poprzez zwiększenie powierzchni kontaktu pomiędzy przeciwległymi powierzchniami w całym stawie.

Urazy kości i stawów mają znaczący wpływ na współczesne społeczeństwo

Tkanka chrzęstna jest pozbawiona naczyń krwionośnych, co skutkuje słabym zaopatrzeniem w składniki odżywcze i powolnym usuwaniem produktów odpadowych (zależnym od dyfuzji przez macierz chrząstki) oraz zmniejszeniem aktywności metabolicznej chondrocytów. To ogranicza samoregenerację i wewnętrzną naprawę.

Poza normalnym zużyciem chrząstki po dekadach ciągłego użytkowania, urazy kości i stawów związane z aktywnością sportową i wypadkami drogowymi znacznie przyczyniają się do popytu na leczenie i produkty do naprawy chrząstki na całym świecie, z ponad 600 000 operacji wymiany stawu kolanowego wykonywanych w USA każdego roku, a globalny rynek naprawy chrząstki wyceniony na 4.80 mld w 2018 r.

Obecnie najbardziej powszechne metody leczenia uszkodzonej tkanki chrzęstnej zapewniają jedynie krótkotrwałą ulgę objawową (poprzez usunięcie luźnych fragmentów uszkodzonej chrząstki lub przeszczepienie chrząstki dawcy) lub wymagają wymiany uszkodzonego stawu na sztuczny. Wszystkie te metody charakteryzują się wysokim wskaźnikiem awaryjności (25-50% po 10 latach) i wymagają długiego czasu rehabilitacji (12 miesięcy lub dłużej).

Ograniczenia obecnych strategii naprawy i regeneracji chrząstki wywołały intensywne prace badawczo-rozwojowe w dziedzinie biomedycyny, prowadzone zarówno przez akademickie, jak i przemysłowe grupy badawcze, mające na celu opracowanie materiałów zastępczych o właściwościach biomechanicznych zbliżonych do naturalnej chrząstki.

Smart Materials Can Help Repair Damaged Cartilage

Several biocompatible and non-degradable engineered materials, such as cobalt-chrome alloys, ceramics, and ultra-high molecular weight polyethylene, are currently used as cartilage or whole joint replacements. Jednakże materiały te posiadają znacznie odmienne właściwości mechaniczne w porównaniu z naturalną chrząstką i często wywierają niekorzystny wpływ na otaczającą strukturę kostną.

Od lat 70. ubiegłego wieku hydrożele (wysoko uwodnione sieci usieciowanych polimerów hydrofilowych) przyciągają uwagę naukowców jako materiały zastępujące chrząstkę ze względu na ich biokompatybilność, wysoką zawartość wody i niską przepuszczalność, co skutkuje wyjątkową zdolnością smarowania i niską adsorpcją białek.

Główne wady tych materiałów to brak wytrzymałości na złamania i niewystarczający moduł sprężystości, który jest wymagany do podtrzymania oczekiwanego obciążenia w stawie.

Grupa badawcza z Duke University, kierowana przez profesorów Benjamina Wileya i Kena Galla, stworzyła nowatorski materiał kompozytowy na bazie hydrożelu, który naśladuje właściwości fizyczne i zachowanie naturalnej tkanki chrzęstnej.

Czytaj dalej: How Could Limbs be Repaired using Recent 3D Printing Technology?

Soft and Strong as Natural Cartilage

Naturalna chrząstka inspiruje strukturę nowego kompozytu. Hydrożel składa się z sieci nanowłókien celulozy bakteryjnej (BC) włączonej do hydrożelu o podwójnej sieci wykonanej z usieciowanego poli(alkoholu winylowego) (PVA) i soli sodowej kwasu poli(2-akryloamido-2-metylo-1-propanosulfonowego) (PAMPS).

Trzy przenikające się sieci współpracują ze sobą, aby zapewnić właściwości biomechaniczne materiału. Sieć BC przyczynia się do wytrzymałości na rozciąganie (podobnie jak kolagen w chrząstce), podczas gdy sieci PVA i PAMPS zapewniają zatrzymanie niezbędnej wody (59% mas.) i zapewniają lepkosprężyste rozpraszanie energii, elastyczną siłę przywracającą (analogicznie do sieci glikozaminoglikanów w chrząstce) i równomierny rozkład naprężeń w całej sieci BC.

Kompozytowy hydrożel o doskonałych właściwościach biomechanicznych

Opisując swoje badania w czasopiśmie Advanced Functional Materials, prof. Wiley i współpracownicy twierdzą, że nowy biomimetyczny hydrożel jest pierwszym materiałem inżynieryjnym, który dorównuje wytrzymałości i modułowi sprężystości naturalnej chrząstki zarówno przy rozciąganiu, jak i ściskaniu.

Testy mechaniczne wykazały, że pod wpływem ściskania nowy kompozytowy hydrożel ma moduł sprężystości podobny do chrząstki i wykazuje taką samą zależną od czasu odpowiedź mechaniczną. Pod wpływem naprężenia ściskającego 1,43 MPa, nowy materiał wykazywał odkształcenie mniejsze niż 5%. Aby umieścić to w kontekście, naprężenie ściskające w stawie kolanowym 90-kilogramowego chodzącego człowieka wynosi około 2,5 MPa.

Trwała alternatywa dla tradycyjnych materiałów zastępujących chrząstkę

W tym samym czasie, współczynnik tarcia materiału jest o 45% niższy niż w przypadku chrząstki i ma 4.4 razy większą odporność na ścieranie niż hydrożele PVA (obecnie stosowane jako zamienniki chrząstki), wykazując wytrzymałość zmęczeniową po 100 000 cykli obciążenia równoważną wytrzymałości naturalnej chrząstki.

Dowiedz się więcej o sprzęcie do charakteryzacji materiałów

Wcześniej wykazano, że trzy składniki kompozytu hydrożelowego są biokompatybilne, a wstępne testy kompatybilności sugerują, że materiał jest nietoksyczny dla komórek hodowanych w laboratorium.

Kroki w kierunku zastosowań w świecie rzeczywistym

Jako następny krok, zespół badawczy zamierza zaprojektować implant odpowiedni do testów in vivo na zwierzętach. Przewidują, że w ciągu trzech lat nowy materiał zastępujący chrząstkę będzie wykorzystywany w terapiach komercyjnych jako lepsza alternatywa dla tradycyjnych zabiegów naprawczych chrząstki lub operacji wymiany stawu kolanowego.

References and Further Reading

F. Yang et al., (2020) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage. Advanced Functional Materials, 2003451. Dostępne na: 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 Dostępne pod adresem: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (dostęp: 14 lipca 2020).

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

M. V. La Roca (2020) A new hydrogel can replace knee cartilage. www.thepatent.news Dostępne na: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Dostęp 14 lipca 2020).

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com Dostępny w: http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Dostęp 14 lipca 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. Materiały (Bazylea), 9, 443. Available at: https://doi.org/10.3390/ma9060443

Zrzeczenie się odpowiedzialności: Poglądy wyrażone tutaj są poglądami autora wyrażonymi w jego prywatnym charakterze i niekoniecznie reprezentują poglądy AZoM.com Limited T/A AZoNetwork właściciela i operatora tej strony internetowej. Niniejsze zastrzeżenie stanowi część warunków korzystania z tej strony internetowej.

Cytaty

.