Fra laboratoriet, den første brusk-lignende gel, der er stærk nok til knæ

Den tynde, glatte lag af brusk mellem knoglerne i knæet er magiske ting:stærk nok til at modstå en persons vægt, men blød og smidig nok til at afbøde leddet mod stød, over årtier med gentagen brug. Den kombination af blød og alligevel stærk har været svær at gengive i laboratoriet. Men nu, Forskere fra Duke University siger, at de har skabt en eksperimentel gel, der er den første, der matcher styrken og holdbarheden af ​​den ægte vare.

Materialet kan ligne en fjern fætter til Jell-O - hvilket det er - men det er utroligt stærkt. Det er 60% vand, men en enkelt kvart-størrelse skive kan bære vægten af ​​en 100-pund kettlebell uden at rive eller miste sin form.

Dets udviklere siger, at det er den første hydrogel - et materiale lavet af vandabsorberende polymerer - der er i stand til at modstå træk og tunge belastninger såvel som menneskelig brusk, uden at blive slidt over tid.

Ledet af Duke kemi og materialeforskere Ben Wiley og Ken Gall, forskningen kunne en dag tilbyde folk med knæproblemer en erstatning for beskadiget brusk, og et alternativ til 600, 000 knæudskiftningsoperationer udført i USA hvert år.

Et glat gummiagtigt væv, der dækker enderne af knoglerne og gør det muligt for dem at glide glat mod hinanden, brusk hjælper med at absorbere en enorm mængde kraft med hvert skridt - typisk mellem to og tre gange din kropsvægt.

Imidlertid, brusk har også begrænset evne til at hele og reparere sig selv. En gang båret efter alder, overforbrug eller traumer, det er svært at behandle, sagde Gall, en professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke.

For patienter, der ønsker at undgå eller udsætte en knæudskiftning, der måske kun varer 20 år, kunstig brusk kan hjælpe. Hydrogeler er blevet udforsket til brug som bruskerstatning siden 1970'erne og bruges i bløde kontaktlinser og engangsbleer. Forskere er tiltrukket af disse materialer på grund af deres glatte, stødabsorberende egenskaber, og fordi de ikke skader nærliggende celler. Men indtil nu har de vist sig at være for svage til at blive brugt i bærende led som knæet.

Duke-holdet satte sig for at ændre det. "Vi satte os for at lave den første hydrogel, der har de mekaniske egenskaber som brusk, " sagde Wiley, en kemiprofessor ved Duke.

Den nye hydrogel består af to sammenflettede polymernetværk:det ene lavet af strækbare spaghetti-lignende tråde og det andet mere stivt og kurvelignende, med negative ladninger langs deres længde. Disse er forstærket med en tredje ingrediens, et net af cellulosefibre.

Når gelen strækkes, cellulosefibrene modstår at trække og hjælper med at holde materialet sammen. Og når den er klemt, de negative ladninger langs de stive polymerkæder frastøder hinanden og klæber til vand, hjælper den med at springe tilbage til sin oprindelige form.

"Kun denne kombination af alle tre komponenter er både fleksibel og stiv og derfor stærk, " sagde medforfatter Feichen Yang, der opnåede en kemi Ph.D. i Wileys laboratorium.

Da forskerne sammenlignede det resulterende materiale med andre hydrogeler, deres var den eneste, der var så stærk som brusk under både klem og strækning.

I et eksperiment, holdet udsatte det for 100, 000 cyklusser med gentagne træk, og materialet holdt lige så godt som porøst titanium brugt til knogleimplantater, "som oversteg vores oprindelige forventninger, " sagde medforfatter William Koshut, en ph.d. studerende i Gall-laboratoriet.

De gned også det nye materiale mod naturlig brusk en million gange. De fandt ud af, at det er glat, glat, selvsmørende overflade er lige så slidstærk som den ægte vare og fire gange mere slidstærk end syntetiske bruskimplantater, der i øjeblikket er FDA-godkendt til brug i storetåen.

At flytte materialet fra laboratoriet til klinikken ville tage mindst tre år yderligere, sagde Wiley. Indledende sikkerhedstest tyder på, at materialet er ugiftigt for laboratoriedyrkede celler. Næste skridt er at designe et implantat, som de kan teste på får.

Men holdet siger, at forskningen i sidste ende kan tilbyde nye muligheder for mennesker med knæsmerter, og få dem tilbage til at gøre de ting, de elsker, uden de lange restitutionstider og begrænsede levetid, der er forbundet med bruskreparation eller knæudskiftningskirurgi.