Kevlarbaseret kunstig brusk efterligner den magiske virkelighed

Bruskens enestående væskestyrke, hvilket er omkring 80 procent vand, modstår nogle af de hårdeste kræfter på vores kroppe.

Syntetiske materialer kunne ikke matche det - indtil "Kevlartilage" blev udviklet af forskere ved University of Michigan og Jiangnan University.

"Vi ved, at vi hovedsagelig består af vand - alt liv gør - og alligevel har vores kroppe meget strukturel stabilitet, "sagde Nicholas Kotov, Joseph B. og Florence V. Cejka professor i teknik ved U-M, der ledede undersøgelsen. "At forstå brusk er at forstå, hvordan livsformer. Kan kombinere egenskaber, der undertiden er utænkelige sammen."

Mange mennesker med ledskader ville have fordel af en god erstatning for brusk, såsom 850, 000 patienter i USA, der gennemgår operationer, der fjerner eller udskifter brusk i knæet.

Mens andre sorter af syntetisk brusk allerede er under kliniske forsøg, disse materialer falder i to lejre, der vælger mellem bruskegenskaber, ikke i stand til at opnå den usandsynlige kombination af styrke og vandindhold.

De andre syntetiske materialer, der efterligner bruskens fysiske egenskaber, indeholder ikke nok vand til at transportere de næringsstoffer, cellerne har brug for for at trives, Sagde Kotov.

I mellemtiden, hydrogeler - som inkorporerer vand i et netværk af lange, fleksible molekyler - kan designes med nok vand til at understøtte væksten af ​​chondrocyttercellerne, der opbygger naturligt brusk. Alligevel er disse hydrogeler ikke særlig stærke. De river under stammer en brøkdel af, hvad brusk kan klare.

Den nye Kevlar-baserede hydrogel genskaber bruskens magi ved at kombinere et netværk af hårde nanofibre fra Kevlar-"aramid" -fibrene, der er bedst kendt for at lave skudsikre veste-med et materiale, der almindeligvis bruges til udskiftninger af hydrogelbrusk, kaldet polyvinylalkohol, eller PVA.

I naturlig brusk, netværket af proteiner og andre biomolekyler får sin styrke ved at modstå vandstrømmen mellem dets kamre. Trykket fra vandet omkonfigurerer netværket, gør det muligt at deformere uden at gå i stykker. Vand frigives i processen, og netværket genopretter ved at absorbere vand senere.

Denne mekanisme muliggør kraftige samlinger, såsom knæ, at stå op til at straffe kræfter. Løb gentagne gange slår brusk mellem knoglerne, tvinger vand ud og gør brusk mere bøjeligt som følge heraf. Derefter, når løberen hviler, brusken optager vand, så det giver stærk modstandsdygtighed over for komprimering igen.

Det syntetiske brusk kan prale af den samme mekanisme, frigive vand under stress og senere genvinde ved at absorbere vand som en svamp. Aramid -nanofibrene bygger materialets ramme, mens PVA fanger vand inde i netværket, når materialet udsættes for strækning eller kompression. Selv versioner af materialet, der var 92 procent vand, kunne sammenlignes i styrke med brusk, med den 70-procentige version, der opnår elastik i gummi.

Da aramid -nanofibrene og PVA ikke skader tilstødende celler, Kotov forudser, at dette syntetiske brusk kan være et passende implantat i nogle situationer, såsom de dybere dele af knæet. Han spekulerer også på, om chondrocytter måske kan tage ophold inde i det syntetiske netværk for at producere et hybridbrusk.

Men hans potentielle anvendelser er ikke begrænset til brusk. Han formoder, at lignende netværk, med forskellige proportioner af aramid nanofibre, PVA og vand, kan være i stand til at stå i for andre bløde væv.

"Vi har mange membraner i kroppen, der kræver de samme egenskaber. Jeg vil gerne evaluere rummet, "Kotov sagde." Jeg vil tale med læger om, hvor det akutte behov er, og hvor dette skæringspunkt mellem ejendommene vil give os mulighed for at få det bedste fremskridt og den største effekt. "

Kotov er medlem af Biointerfaces Institute, som giver delt plads til forskere fra UM's ingeniør- og medicinske skoler. Han er også professor i kemiteknik, materialevidenskab og teknik, og makromolekylær videnskab og teknik.

Studiet, for nylig udgivet i Avancerede materialer , hedder "Vandrige biomimetiske kompositter med abiotisk selvorganiserende nanofibernetværk." Det blev støttet af National Science Foundation, med yderligere midler fra forsvarsministeriet. Universitetet søger patentbeskyttelse og partnere for at bringe teknologien på markedet.