Stive, ømme knæ? Lab-fremstillet bruskgelé overgår den ægte vare

Smertestillende midler i håndkøb, fysioterapi, steroidinjektioner - nogle mennesker har prøvet det hele og har stadig smerter i knæet.

Ofte kommer knæsmerter fra det progressive slid af brusk kendt som slidgigt, som rammer næsten hver sjette voksne - 867 millioner mennesker - på verdensplan. For dem, der ønsker at undgå at udskifte hele knæleddet, kan der snart være en anden mulighed, der kan hjælpe patienter med at komme på fode igen hurtigt, smertefrit og forblive på den måde.

Skrivning i tidsskriftet Advanced Functional Materials , siger et team ledet af Duke University, at de har skabt den første gel-baserede bruskerstatning, der er endnu stærkere og mere holdbar end den ægte vare.

Mekanisk test afslører, at Duke-teamets hydrogel – et materiale lavet af vandabsorberende polymerer – kan presses og trækkes med mere kraft end naturlig brusk og er tre gange mere modstandsdygtig over for slid.

Implantater lavet af materialet er i øjeblikket ved at blive udviklet af Sparta Biomedical og testet i får. Forskere forbereder sig på at begynde kliniske forsøg med mennesker næste år.

"Hvis alt går efter planen, bør det kliniske forsøg starte så snart som i april 2023," sagde Duke kemiprofessor Benjamin Wiley, der ledede forskningen sammen med Duke maskinteknik og materialevidenskab professor Ken Gall.

For at fremstille dette materiale tog Duke-teamet tynde plader af cellulosefibre og infunderede dem med en polymer kaldet polyvinylalkohol - en tyktflydende goo bestående af snorlige kæder af gentagne molekyler - for at danne en gel.

Cellulosefibrene virker som kollagenfibrene i naturlig brusk, sagde Wiley - de giver gelen styrke, når de strækkes. Polyvinylalkoholen hjælper den med at vende tilbage til sin oprindelige form. Resultatet er et Jello-lignende materiale, 60% vand, som er smidigt og alligevel overraskende stærkt.

Naturlig brusk kan modstå en kæmpestor 5.800 til 8.500 pounds pr. tomme af hhv. træk og squishing, før den når sit bristepunkt. Deres laboratoriefremstillede version er den første hydrogel, der kan klare endnu mere. Det er 26 % stærkere end naturlig brusk i spænding, noget som at hænge syv flygler op fra en nøglering og 66 % stærkere i kompression – hvilket ville være som at parkere en bil på et frimærke.

"Det er virkelig ude af diagrammet med hensyn til hydrogelstyrke," sagde Wiley.

Holdet har allerede lavet hydrogeler med bemærkelsesværdige egenskaber. I 2020 rapporterede de, at de havde skabt den første hydrogel, der er stærk nok til knæene, som mærker kraften fra to til tre gange kropsvægten med hvert skridt.

At anvende gelen til praktisk brug som bruskerstatning gav dog yderligere designudfordringer. Den ene var at opnå de øvre grænser for bruskens styrke. Aktiviteter som at hoppe, longere eller gå på trapper sætter et tryk på omkring 10 megapascal på brusken i knæet, eller omkring 1.400 pund pr. kvadrattomme. Men vævet kan tage op til fire gange så meget, før det knækker.

"Vi vidste, at der var plads til forbedringer," sagde Wiley.

Tidligere brugte forskere, der forsøgte at skabe stærkere hydrogeler, en fryse-tø-proces til at producere krystaller i gelen, som driver vand ud og hjælper med at holde polymerkæderne sammen. I det nye studie brugte forskerne i stedet for at fryse og optø hydrogelen en varmebehandling kaldet annealing til at lokke endnu flere krystaller til at dannes i polymernetværket.

Ved at øge krystalindholdet var forskerne i stand til at producere en gel, der kan modstå fem gange så meget stress fra træk og næsten dobbelt så meget klemning i forhold til fryse-tø-metoder.

Den forbedrede styrke af den udglødede gel hjalp også med at løse en anden designudfordring:at fastgøre den til samlingen og få den til at blive siddende.

Brusk danner et tyndt lag, der dækker enderne af knoglerne, så de ikke kværner mod hinanden. Tidligere undersøgelser har ikke været i stand til at fastgøre hydrogeler direkte til knogler eller brusk med tilstrækkelig styrke til at forhindre dem i at bryde løs eller glide af. Så Duke-teamet fandt på en anden tilgang.

Deres fastgørelsesmetode involverer cementering og fastspænding af hydrogelen til en titaniumbase. Denne presses derefter og forankres i et hul, hvor den beskadigede brusk plejede at være. Tests viser, at designet forbliver fastspændt 68 % mere fast end naturlig brusk på knogler.

"En anden bekymring for knæimplantater er slid over tid, både af selve implantatet og den modstående brusk," sagde Wiley.

Andre forskere har forsøgt at erstatte beskadiget brusk med knæimplantater lavet af metal eller polyethylen, men fordi disse materialer er stivere end brusk, kan de gnave mod andre dele af knæet.

I slidtests tog forskerne kunstig brusk og naturlig brusk og snurrede dem mod hinanden en million gange, med et tryk svarende til det, knæet oplever under gang. Ved hjælp af en højopløsnings røntgenscanningsteknik kaldet mikrocomputertomografi (mikro-CT) fandt forskerne ud af, at overfladen af ​​deres laboratoriefremstillede version holdt sig tre gange bedre end den ægte vare. Men fordi hydrogelen efterligner den glatte, glatte, støddæmpende natur af ægte brusk, beskytter den andre ledoverflader mod friktion, når de glider mod implantatet.

Naturlig brusk er bemærkelsesværdigt holdbart stof. Men når den først er beskadiget, har den begrænset evne til at helbrede, fordi den ikke har nogen blodkar, sagde Wiley.

I USA er slidgigt dobbelt så almindelig i dag, end det var for et århundrede siden. Kirurgi er en mulighed, når konservative behandlinger mislykkes. I løbet af årtierne har kirurger udviklet en række minimalt invasive tilgange, såsom at fjerne løs brusk, eller lave huller for at stimulere ny vækst eller transplantation af sund brusk fra en donor. Men alle disse metoder kræver måneders genoptræning, og nogle procenter af dem mislykkes over tid.

Generelt betragtet som en sidste udvej, er total knæudskiftning en gennemprøvet måde at lindre smerter på. Men kunstige led holder heller ikke evigt. Især for yngre patienter, der ønsker at undgå større operationer for en enhed, der kun skal udskiftes igen, sagde Wiley, "der er bare ikke særlig gode muligheder derude."

"Jeg tror, ​​at dette vil være en dramatisk ændring i behandlingen for mennesker på dette stadium," sagde Wiley. + Udforsk yderligere

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