Alai

Bildkredit: sebra/.com

Effektiv behandling och reparation av skadat brosk utgör fortfarande en stor utmaning för dagens medicin. Forskare vid Duke University i USA har nyligen skapat ett nytt hydrogelbaserat kompositmaterial som motsvarar styrkan och hållbarheten hos naturlig broskvävnad. Den nya utvecklingen lovar att övervinna begränsningarna i de nuvarande reparationsteknikerna för brosk.

Artikulärt brosk är en högt specialiserad vävnad som spelar en avgörande roll i människokroppen. Ett friskt brosk ger en rörelse med låg friktion och säkerställer en effektiv belastning och viktfördelning i skelettlederna.

Brosk – ett naturligt underverk

Naturligt brosk består av glest fördelade kondrocytceller som är inbäddade i broskets extracellulära matris. Den består huvudsakligen av vatten (60-85 viktprocent), 15-22 viktprocent kollagen typ II (en av kroppens primära bindväv) och 4-7 viktprocent glykosaminoglykaner (långa linjära polysackaridmolekyler).

Dessa tre sammanflätade komponenter ger broskvävnadens unika egenskaper. Med en genomsnittlig tjocklek på 2,2 mm tränger brosket delvis in i den underliggande porösa benvävnaden och belägger benytan, vilket säkerställer en rörelse med låg friktion i leden. Samtidigt är brosket mycket deformerbart, vilket underlättar effektiv lastfördelning genom att öka kontaktytan mellan de motsatta ytorna i hela leden.

Bene and Joint Trauma have a Significant Impact on Modern Society

Broskvävnaden saknar blodkärl, vilket resulterar i dålig näringstillförsel och långsam utvinning av avfallsprodukter (beroende av diffusion genom broskmatrisen) och en minskad metabolisk aktivitet hos kondrocyterna. Detta begränsar självregenerationen och den inneboende reparationen.

Förutom det normala broskslitaget efter årtionden av konstant användning bidrar ben- och ledskador i samband med sportaktiviteter och trafikolyckor i hög grad till efterfrågan på behandling och produkter för broskreparation över hela världen, med över 600 000 knäledsbytesoperationer som utförs i USA varje år, och en global marknad för broskreparation som värderas till 4 USD.80 miljarder euro 2018.

För närvarande ger de vanligaste behandlingarna av skadad broskvävnad endast kortsiktig symtomlindring (genom att ta bort lösa bitar av skadat brosk eller genom att transplantera donatorbrosk) eller kräver att den skadade leden ersätts med en konstgjord. Alla dessa metoder har vanligtvis en hög felprocent (25-50 % efter 10 år) och kräver långa rehabiliteringstider (12 månader eller längre).

Begränsningarna i de nuvarande strategierna för reparation och regenerering av brosk har lett till intensiva biomedicinska FoU-ansträngningar från både akademiska och industriella forskargrupper som syftar till att utveckla ersättningsmaterial med biomekaniska egenskaper som liknar det naturliga brosket.

Smarta material kan hjälpa till att reparera skadat brosk

Flera biokompatibla och icke nedbrytbara konstruerade material, t.ex. kobolt-kromlegeringar, keramik och polyeten med ultrahög molekylvikt, används för närvarande som brosk- eller hela ledersättningar. Dessa material har dock betydligt annorlunda mekaniska egenskaper jämfört med naturligt brosk och har ofta negativa effekter på den omgivande benstrukturen.

Sedan 1970-talet har hydrogeler (höghydratiserade nätverk av tvärbundna hydrofila polymerer) väckt forskarnas uppmärksamhet som broskersättningsmaterial på grund av deras biokompatibilitet, höga vattenhalt och låga permeabilitet, vilket resulterar i en exceptionell smörjningsförmåga, och låg proteinadsorption.

De största nackdelarna med dessa material är bristen på brottstyrka och otillräcklig elasticitetsmodul som krävs för att stödja den förväntade belastningen i leden.

En forskargrupp vid Duke University, ledd av professorerna Benjamin Wiley och Ken Gall, har skapat ett nytt hydrogelbaserat kompositmaterial som efterliknar de fysiska egenskaperna och beteendet hos naturlig broskvävnad.

Läs mer:

Mjuk och stark som naturligt brosk

Naturligt brosk inspirerar strukturen i den nya kompositen. Hydrogelen består av ett nätverk av nanofiber av bakteriell cellulosa (BC) som är införlivat i en hydrogel med dubbelt nätverk av tvärbunden poly(vinylalkohol) (PVA) och poly(2-akrylamido-2-metyl-1-propansulfonsyra-natriumsalt) (PAMPS).

De tre genomträngande nätverken samverkar för att ge materialet dess biomekaniska egenskaper. BC-nätverket bidrar till dragstyrkan (på samma sätt som kollagen i brosk), medan PVA- och PAMPS-nätverken säkerställer att det nödvändiga vattnet (59 viktprocent) hålls kvar och ger viskoelastisk energidistribution, elastisk återställningskraft (på samma sätt som glykosaminoglykan-nätverket i brosk) och jämn spänningsfördelning över BC-nätverket.

Komposithydrogel med överlägsna biomekaniska egenskaper

I en beskrivning av sin forskning i tidskriften Advanced Functional Materials hävdar professor Wiley och medarbetare att den nya biomimetiska hydrogelen är det första konstruerade materialet som matchar hållfastheten och modulen hos naturligt brosk i både spänning och kompression.

Mekanisk testning visade att den nya komposithydrogelen under kompression har en elasticitetsmodul som liknar brosk och uppvisar samma tidsberoende mekaniska respons. Under en tryckspänning på 1,43 MPa uppvisade det nya materialet en deformation på mindre än 5 %. För att sätta detta i ett sammanhang är tryckspänningen i knäleden hos en 90-kilos gående människa cirka 2,5 MPa.

Hållbart alternativ till de traditionella broskersättningsmaterialen

Tidigare är materialets friktionskoefficient 45 % lägre än broskets och har 4.4 gånger högre slitstyrka än enbart PVA-hydrogeler (som för närvarande används som broskersättning) och uppvisar utmattningsstyrka efter 100 000 belastningscykler som motsvarar det naturliga broskets.

Lär dig mer om utrustning för materialkarakterisering

De tre beståndsdelarna i hydrogelkompositen har tidigare visat sig vara biokompatibla och de första kompatibilitetstesterna tyder på att materialet inte är giftigt för laboratorieodlade celler.

Steg mot tillämpningar i verkligheten

Som nästa steg siktar forskarlaget på att utforma ett implantat som lämpar sig för in vivo-testning på djur. De räknar med att det nya broskersättningsmaterialet inom tre år kommer att användas i kommersiella terapier som ett bättre alternativ till traditionella broskreparationsbehandlingar eller knäprotesoperationer.

Referenser och vidare läsning

F. Yang et al., (2020) A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage. Avancerade funktionella material, 2003451. Tillgänglig på: 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 Tillgänglig på: https://today.duke.edu/2020/06/lab-first-cartilage-mimicking-gel-strong-enough-knees (Tillgänglig den 14 juli 2020).

M. Irving (2020) Ny hydrogel kan fungera lika bra som äkta brosk i knäproteser. www.newatlas.com Tillgänglig på: https://newatlas.com/materials/tough-stretchy-hydrogel-knee-cartilage-replacement (Tillgänglig den 14 juli 2020).

M. V. La Roca (2020) En ny hydrogel kan ersätta knäbrosk. www.thepatent.news Available at: https://www.thepatent.news/2020/06/29/a-new-hydrogel-can-replace-knee-cartilage (Tillgänglig den 14 juli 2020).

Cambridge Polymer Group (2020) Load-bearing hydrogels. www.campoly.com Tillgänglig på: http://www.campoly.com/cpg-services/biomedical-materials/load-bearing-hydrogels/ (Tillgänglig den 14 juli 2020).

A. R. Martín et al., (2019) Emerging therapies for brosk 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

Disclaimer: De åsikter som uttrycks här är författarens privata åsikter och representerar inte nödvändigtvis åsikterna hos AZoM.com Limited T/A AZoNetwork som äger och driver denna webbplats. Denna ansvarsfriskrivning utgör en del av villkoren för användning av denna webbplats.

Citat

.