Alai

Creditul imaginii: sebra/.com

Tratamentul și repararea eficientă a cartilajului deteriorat reprezintă încă o provocare semnificativă pentru medicina actuală. Cercetătorii de la Universitatea Duke din SUA au creat recent un nou material compozit pe bază de hidrogel care se potrivește cu rezistența și durabilitatea țesutului cartilaginos natural. Noua dezvoltare promite să depășească limitările tehnicilor actuale de reparare a cartilajului.

Cartilajul articular este un țesut foarte specializat care joacă un rol crucial în corpul uman. Un cartilaj sănătos asigură o mișcare cu frecare redusă și asigură o încărcare și o distribuție eficientă a greutății în articulațiile scheletului.

Cartilajul – o minune naturală

Cartilajul natural constă din celule condrocite slab distribuite, înglobate în matricea extracelulară a cartilajului. Acesta este alcătuit în principal din apă (60-85% în greutate), 15-22% în greutate colagen de tip II (unul dintre țesuturile conjunctive primare ale organismului) și 4-7% în greutate glicozaminoglicani (molecule de polizaharide liniare lungi).

Aceste trei componente întrepătrunse asigură proprietățile unice ale țesutului cartilaginos. Cu o grosime medie de 2,2 mm, cartilajul pătrunde parțial în țesutul osos poros subiacent, acoperind suprafața osoasă și asigurând o mișcare cu frecare redusă în articulație. În același timp, cartilajul este foarte deformabil, ceea ce facilitează distribuția eficientă a încărcăturii prin creșterea ariei de contact dintre suprafețele opuse pe întreaga articulație.

Traumatismele osoase și articulare au un impact semnificativ asupra societății moderne

Tesutul cartilaginos este lipsit de vase de sânge, ceea ce duce la un aport slab de nutrienți și la o extracție lentă a produselor reziduale (depinzând de difuzia prin matricea cartilaginoasă) și la reducerea activității metabolice a condrocitelor. Acest lucru limitează autoregenerarea și repararea intrinsecă.

Pe lângă uzura normală a cartilajului după zeci de ani de utilizare constantă, leziunile osoase și articulare legate de activitățile sportive și de accidentele rutiere contribuie în mod semnificativ la cererea de tratamente și produse de reparare a cartilajului la nivel mondial, peste 600.000 de operații de înlocuire a articulațiilor genunchiului fiind efectuate în SUA în fiecare an, iar piața globală de reparare a cartilajului fiind evaluată la 4.000 USD.80 miliarde de euro în 2018.

În prezent, cele mai frecvente tratamente ale țesutului cartilaginos deteriorat oferă doar o ameliorare simptomatică pe termen scurt (prin îndepărtarea bucăților libere de cartilaj deteriorat sau prin transplantul de cartilaj de la donator) sau necesită înlocuirea articulației deteriorate cu una artificială. Toate aceste metode au, de obicei, rate de eșec ridicate (25-50% după 10 ani) și necesită perioade lungi de reabilitare (12 luni sau mai mult).

Limitele strategiilor actuale de reparare și regenerare a cartilajului au declanșat eforturi intense de cercetare și dezvoltare biomedicală, atât din partea grupurilor de cercetare academice, cât și a celor industriale, cu scopul de a dezvolta materiale de înlocuire cu proprietăți biomecanice similare cu cele ale cartilajului natural.

Materialele inteligente pot ajuta la repararea cartilajului deteriorat

Câteva materiale de inginerie biocompatibile și nedegradabile, cum ar fi aliajele de cobalt-crom, ceramica și polietilena cu greutate moleculară ultra-înaltă, sunt utilizate în prezent ca înlocuitori de cartilaj sau de articulații întregi. Cu toate acestea, aceste materiale posedă proprietăți mecanice semnificativ diferite în comparație cu cele ale cartilajului natural și au adesea efecte adverse asupra structurii osoase înconjurătoare.

Din anii 1970, hidrogelurile (rețele puternic hidratate de polimeri hidrofili reticulați) au atras atenția oamenilor de știință ca materiale de substituție a cartilajului, datorită biocompatibilității lor, conținutului ridicat de apă și permeabilității scăzute, ceea ce duce la o capacitate excepțională de lubrifiere și la o adsorbție scăzută a proteinelor.

Principalele dezavantaje ale acestor materiale sunt lipsa rezistenței la rupere și modulul de elasticitate insuficient care este necesar pentru a susține sarcina așteptată în articulație.

Un grup de cercetare de la Universitatea Duke, condus de profesorii Benjamin Wiley și Ken Gall, a creat un nou material compozit pe bază de hidrogel care imită proprietățile fizice și comportamentul țesutului cartilaginos natural.

Citește mai mult: Cum ar putea fi reparate membrele folosind tehnologia recentă de imprimare 3D?

Moale și rezistent ca un cartilaj natural

Cartilajul natural inspiră structura noului compozit. Hidrogelul este format dintr-o rețea de nanofibre de celuloză bacteriană (BC) încorporată într-un hidrogel cu rețea dublă realizat din poli(alcool vinilic) (PVA) reticulat și poli(sare de sodiu a acidului 2-acrilamido-2-metil-1-propanesulfonic) (PAMPS).

Cele trei rețele care se întrepătrund lucrează împreună pentru a asigura proprietățile biomecanice ale materialului. Rețeaua BC contribuie la rezistența la tracțiune (similar colagenului din cartilaj), în timp ce rețelele PVA și PAMPS asigură retenția apei necesare (59 % în greutate) și asigură disiparea energiei viscoelastice, forța de refacere elastică (analog rețelei de glicozaminoglicani din cartilaj) și distribuția uniformă a tensiunii în întreaga rețea BC.

Hidrogel compozit cu proprietăți biomecanice superioare

Descriindu-și cercetarea în revista Advanced Functional Materials, profesorul Wiley și colaboratorii susțin că noul hidrogel biomimetic este primul material de inginerie care se potrivește cu rezistența și modulul cartilajului natural, atât la întindere, cât și la compresie.

Testările mecanice au demonstrat că, la compresie, noul hidrogel compozit are un modul elastic similar cu cel al cartilajului și prezintă același răspuns mecanic în funcție de timp. Sub o tensiune de compresie de 1,43 MPa, noul material a prezentat o deformare mai mică de 5%. Pentru a pune acest lucru în context, stresul de compresie în articulația genunchiului unui om care merge de 90 de kilograme este de aproximativ 2,5 MPa.

Alternativă durabilă la materialele tradiționale de înlocuire a cartilajului

În același timp, coeficientul de frecare al materialului este cu 45% mai mic decât cel al cartilajului și are 4,5 MPa.rezistență la uzură de 4 ori mai mare decât hidrogelurile exclusiv PVA (utilizate în prezent ca înlocuitor de cartilaj), prezentând o rezistență la oboseală după 100.000 de cicluri de încărcare echivalentă cu cea a cartilajului natural.

Aflați mai multe despre echipamentul de caracterizare a materialelor

Cei trei constituenți ai hidrogelului compozit au demonstrat anterior că sunt biocompatibili, iar testele inițiale de compatibilitate sugerează că materialul nu este toxic pentru celulele cultivate în laborator.

Pasi spre aplicații în lumea reală

Ca pas următor, echipa de cercetare își propune să proiecteze un implant adecvat pentru testarea in vivo pe animale. Ei preconizează că, în termen de trei ani, noul material de înlocuire a cartilajului va fi utilizat în terapii comerciale ca o alternativă mai bună la tratamentele tradiționale de reparare a cartilajului sau la operațiile de înlocuire a genunchiului.

Referințe și lecturi suplimentare

F. Yang și colab., (2020) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage (Un hidrogel sintetic compozit cu comportamentul mecanic și durabilitatea cartilajului). Materiale funcționale avansate, 2003451. Disponibil la: https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

R. A. Smith (2020) Din laborator, primul gel care imită cartilajul și care este suficient de rezistent pentru genunchi. www.today.duke.edu Disponibil la: A. Smith (2020) From the lab, the first cartilage-mimicking gel that’s strong enough for knees. www.today.duke.edu Disponibil la: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (accesat la 14 iulie 2020).

M. Irving (2020) Un nou hidrogel ar putea funcționa la fel de bine ca și cartilajul real în înlocuirile de genunchi. www.newatlas.com Disponibil la: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Accesat la 14 iulie 2020).

M. V. La Roca (2020) Un nou hidrogel poate înlocui cartilajul genunchiului. www.thepatent.news Disponibil la: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Accesat la 14 iulie 2020).

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com Disponibil la: http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Accesat la 14 iulie 2020).

A. R. Martín et al., (2019) Terapii emergente pentru regenerarea cartilajului în populațiile „genunchiului roșu” excluse în prezent. npj Regen Med 4, 12. Disponibil la: 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 (Hidrogeluri ca material de înlocuire pentru cartilajul hialin articular deteriorat). Materials (Basel), 9, 443. Disponibil la adresa: https://doi.org/10.3390/ma9060443

Disclaimer: Opiniile exprimate aici sunt cele ale autorului exprimate în calitatea lor privată și nu reprezintă în mod necesar opiniile AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, proprietarul și operatorul acestui site web. Această clauză de renunțare face parte din Termenii și condițiile de utilizare a acestui site.

Citate

.