'n Nuwe laboratorium-vervaardigde kniekraakbeen is 26% sterker as natuurlike kraakbeen in spanning, iets soos om sewe vleuelklaviere van 'n sleutelring op te hang, en 66% sterker in kompressie - wat sal wees soos om 'n motor op 'n posseël te parkeer. (Krediet: Daniel Thiele/Unsplash)
’n Nuwe gel-gebaseerde kniekraakbeenvervanger is sterker en duursaamer as die regte ding, volgens ’n nuwe studie.
Oor-die-toonbank pynstillers, fisiese terapie, steroïed-inspuitings-sommige mense het dit alles probeer en het steeds te doen met kniepyn.
Dikwels kom kniepyn uit die progressiewe slytasie van kraakbeen bekend as osteoartritis, wat byna een uit elke ses volwassenes-867 miljoen mense-wêreldwyd affekteer. Vir diegene wat wil vermy om die hele kniegewrig te vervang, kan die nuwe kraakbeen binnekort pasiënte help om vinnig, pynvry op hul voete te kom en so te bly.
Soos berig in die tydskrif Gevorderde funksionele materiale, onthul meganiese toetsing dat die hidrogel - 'n materiaal gemaak van waterabsorberende polimere - met meer krag gedruk en getrek kan word as natuurlike kraakbeen, en drie keer meer bestand is teen slytasie.
Inplantings wat van die materiaal gemaak word, word tans deur Sparta Biomedical ontwikkel en in skape getoets. Navorsers maak gereed om volgende jaar met kliniese toetse in mense te begin.
"As alles volgens plan verloop, moet die kliniese proef so gou as April 2023 begin," sê Benjamin Wiley, 'n chemieprofessor aan die Duke Universiteit wat die navorsing gelei het saam met Ken Gall, 'n professor in meganiese ingenieurswese en materiaalwetenskap.
Natuurlike knie kraakbeen
Om hierdie materiaal te maak, het die span dun velle sellulosevesels geneem en dit met 'n polimeer genaamd polivinielalkohol - 'n viskose goo wat uit draderige kettings van herhalende molekules bestaan - toegedien om 'n jel te vorm.
Die sellulose vesels tree op soos die kollageenvesels in natuurlike kraakbeen, sê Wiley—hulle gee die jel krag wanneer dit gestrek word. Die polivinielalkohol help dit om na sy oorspronklike vorm terug te keer. Die resultaat is 'n Jello-agtige materiaal, 60% water, wat soepel dog verbasend sterk is.
Natuurlike kraakbeen kan onderskeidelik 'n yslike 5,800 8,500 tot 26 66 pond per duim van ruk en druk weerstaan voordat dit sy breekpunt bereik. Die laboratorium-vervaardigde weergawe is die eerste hidrogel wat selfs meer kan hanteer. Dit is XNUMX% sterker as natuurlike kraakbeen in spanning, iets soos om sewe vleuelklaviere aan 'n sleutelring te hang, en XNUMX% sterker in kompressie—wat sal wees soos om 'n motor op 'n posseël te parkeer.
"Dit is regtig buite die kaarte wat hidrogelsterkte betref," sê Wiley.
Die span het reeds hidrogels met merkwaardige eienskappe gemaak. In 2020 het hulle berig dat hulle die eerste hidrogel geskep het sterk genoeg vir knieë, wat die krag van twee tot drie keer liggaamsgewig met elke stap voel.
Om die jel vir praktiese gebruik as 'n kraakbeenvervanging te gebruik, het egter bykomende ontwerpuitdagings meegebring. Een was om die boonste grense van kraakbeen se krag te bereik. Aktiwiteite soos spring, longe of trappe klim plaas sowat 10 Megapascal se druk op die kraakbeen in die knie, of sowat 1,400 XNUMX pond per vierkante duim. Maar die weefsel kan tot vier keer soveel neem voordat dit breek. "Ons het geweet daar is ruimte vir verbetering," sê Wiley.
Knie-inplantings hou nie vir ewig nie
In die verlede het navorsers wat probeer het om sterker hidrogels te skep, 'n vries-ontdooi-proses gebruik om kristalle binne die jel te produseer, wat water uitdryf en help om die polimeerkettings bymekaar te hou. In die nuwe studie, in plaas daarvan om die hidrogel te vries en te ontdooi, het die navorsers 'n hittebehandeling genaamd uitgloeiing gebruik om nog meer kristalle te lok om binne die polimeernetwerk te vorm.
Deur die kristalinhoud te verhoog, was die navorsers in staat om 'n jel te produseer wat vyf keer soveel spanning as gevolg van trek kan weerstaan en byna twee keer soveel druk relatief tot vries-ontdooi-metodes. Die verbeterde sterkte van die uitgegloeide jel het ook gehelp om 'n tweede ontwerpuitdaging op te los: om dit aan die gewrig vas te maak en dit te laat bly.
Kraakbeen vorm 'n dun laag wat die punte van bene bedek sodat hulle nie teen mekaar maal nie. Vorige studies kon nie hidrogels direk aan been of kraakbeen heg met genoeg krag om te verhoed dat dit losbreek of afgly nie. Die Duke-span het dus met 'n ander benadering vorendag gekom.
Hul metode van aanhegting behels die sementering en vasklem van die hidrogel aan a titanium basis. Dit word dan gedruk en geanker in 'n gat waar die beskadigde kraakbeen voorheen was. Toetse wys die ontwerp bly 68% stewiger vas as natuurlike kraakbeen op been.
"Nog 'n bekommernis vir knie-inplantings is dra met verloop van tyd, beide van die inplanting self en die opponerende kraakbeen," sê Wiley.
''n Dramatiese verandering in behandeling'
Ander navorsers het probeer om beskadigde kraakbeen te vervang met knie-inplantings van metaal of poliëtileen, maar omdat hierdie materiale stywer as kraakbeen is, kan hulle teen ander dele van die knie skaaf.
In slytasietoetse het die navorsers kunsmatige kraakbeen en natuurlike kraakbeen geneem en dit 'n miljoen keer teen mekaar getol, met 'n druk soortgelyk aan wat die knie ervaar tydens loop.
Met behulp van 'n hoë-resolusie X-straal-skandering-tegniek genaamd mikro-rekenaartomografie (mikro-CT), het die wetenskaplikes gevind dat die oppervlak van hul laboratoriumvervaardigde weergawe drie keer beter hou as die regte ding. Maar omdat die hidrogel die gladde, gladde, dempende aard van regte kraakbeen naboots, beskerm dit ander gewrigsoppervlaktes teen wrywing terwyl hulle teen die inplantaat gly.
Natuurlike kraakbeen is merkwaardig duursame goed. Maar sodra dit beskadig is, het dit beperkte vermoë om te genees omdat dit geen bloedvate het nie, sê Wiley.
In die Verenigde State van Amerika, osteoartritis is vandag twee keer so algemeen as wat dit 'n eeu gelede was. Chirurgie is 'n opsie wanneer konserwatiewe behandelings misluk. Oor die dekades het chirurge 'n aantal minimaal indringende benaderings ontwikkel, soos die verwydering van los kraakbeen, of die maak van gate om nuwe groei te stimuleer, of die oorplanting van gesonde kraakbeen van 'n skenker. Maar al hierdie metodes vereis maande se rehabilitasie, en sommige persentasie daarvan misluk mettertyd.
Oor die algemeen beskou as 'n laaste uitweg, is totale knievervanging 'n bewese manier om pyn te verlig. Maar kunsmatige gewrigte hou ook nie vir ewig nie. Veral vir jonger pasiënte wat 'n groot operasie wil vermy vir 'n toestel wat eers later weer vervang sal moet word, sê Wiley, "daar is net nie baie goeie opsies daar buite nie."
"Ek dink dit sal 'n dramatiese verandering in behandeling vir mense in hierdie stadium wees," sê Wiley.
Sparta Biomedical en die Shared Materials Instrumentation Facility by Duke Universiteit het die werk befonds. Wiley en Gall is aandeelhouers in Sparta Biomedical.
Bron: Duke University
Verwante Boeke:
Die liggaam hou die telling: brein gees en liggaam in die genesing van trauma
deur Bessel van der Kolk
Hierdie boek ondersoek die verbande tussen trauma en fisiese en geestelike gesondheid, en bied insigte en strategieë vir genesing en herstel.
Klik vir meer inligting of om te bestel
Asem: Die nuwe wetenskap van 'n verlore kuns
deur James Nestor
Hierdie boek verken die wetenskap en praktyk van asemhaling, en bied insigte en tegnieke vir die verbetering van fisiese en geestelike gesondheid.
Klik vir meer inligting of om te bestel
Die plantparadoks: die verborge gevare in "gesonde" kosse wat siektes en gewigstoename veroorsaak
deur Steven R. Gundry
Hierdie boek ondersoek die verbande tussen dieet, gesondheid en siekte, en bied insigte en strategieë vir die verbetering van algehele gesondheid en welstand.
Klik vir meer inligting of om te bestel
Die immuniteitskode: die nuwe paradigma vir werklike gesondheid en radikale anti-veroudering
deur Joel Greene
Hierdie boek bied 'n nuwe perspektief op gesondheid en immuniteit, met die beginsels van epigenetika en bied insigte en strategieë vir die optimalisering van gesondheid en veroudering.
Klik vir meer inligting of om te bestel
Die volledige gids tot vas: genees jou liggaam deur intermitterende, alternatiewe dag en verlengde vas
deur Dr Jason Fung en Jimmy Moore
Hierdie boek verken die wetenskap en praktyk van vas en bied insigte en strategieë vir die verbetering van algehele gesondheid en welstand.
