Un nou cartilaj pentru genunchi, fabricat în laborator, este cu 26% mai puternic decât cartilajul natural în tensiune, ceva asemănător suspendării a șapte piane cu coadă de un breloc și cu 66% mai puternic la compresie - ceea ce ar fi ca și cum ar parca o mașină pe o timbru poștal. (Credit: Daniel Thiele/Unsplash)

Un nou înlocuitor al cartilajului genunchiului pe bază de gel este mai puternic și mai durabil decât cel real, potrivit unui nou studiu.

Analgezice fără prescripție medicală, kinetoterapie, injecții cu steroizi – unii oameni au încercat totul și încă se confruntă cu durerile de genunchi.

Adesea, durerea de genunchi provine din uzura progresivă a cartilaj cunoscută sub numele de osteoartrita, care afectează aproape unul din șase adulți — 867 de milioane de oameni — din întreaga lume. Pentru cei care doresc să evite înlocuirea întregii articulații a genunchiului, noul cartilaj ar putea ajuta în curând pacienții să se ridice rapid, fără durere și să rămână așa.

După cum sa raportat în jurnal Materiale funcționale avansate, testele mecanice dezvăluie că hidrogelul - un material format din polimeri care absorb apă - poate fi presat și tras cu mai multă forță decât cartilajul natural și este de trei ori mai rezistent la uzură.

Implanturile realizate din material sunt în prezent dezvoltate de Sparta Biomedical și testate la oi. Cercetătorii se pregătesc să înceapă studiile clinice pe oameni anul viitor.

„Dacă totul decurge conform planului, studiul clinic ar trebui să înceapă încă din aprilie 2023”, spune Benjamin Wiley, profesor de chimie la Universitatea Duke, care a condus cercetarea împreună cu Ken Gall, profesor de inginerie mecanică și știința materialelor.

Cartilajul natural al genunchiului

Pentru a face acest material, echipa a luat foi subțiri de fibre de celuloză și le-a infuzat cu un polimer numit alcool polivinilic - o substanță vâscoasă constând din lanțuri stringente de molecule care se repetă - pentru a forma un gel.

Fibrele de celuloză acționează ca fibre de colagen în cartilajele naturale, spune Wiley, ele conferă gelului rezistență atunci când sunt întinse. Alcoolul polivinilic îl ajută să revină la forma inițială. Rezultatul este un material asemănător Jello, 60% apă, care este suplu, dar surprinzător de puternic.

Cartilajul natural poate rezista la 5,800 până la 8,500 de lire sterline pe inch de tragere și, respectiv, strivire, înainte de a atinge punctul de rupere. Versiunea realizată în laborator este primul hidrogel care poate gestiona și mai mult. Este cu 26% mai puternic decât cartilajul natural în tensiune, ceva de genul suspendării a șapte piane cu coadă de un breloc și cu 66% mai puternic la compresie - ceea ce ar fi ca și cum ar parca o mașină pe o timbru poștal.

„Este cu adevărat în afara graficelor în ceea ce privește rezistența hidrogelului”, spune Wiley.

Echipa a realizat deja hidrogeluri cu proprietăți remarcabile. În 2020, au raportat că au creat primul hidrogel suficient de puternic pentru genunchi, care simt forța de două până la trei ori greutatea corpului la fiecare pas.

Folosirea gelului ca înlocuitor de cartilaj a prezentat totuși provocări suplimentare de proiectare. Unul era atingerea limitelor superioare ale rezistenței cartilajului. Activități precum săritul, aruncarea sau urcarea scărilor pun aproximativ 10 megapascali de presiune asupra cartilajului din genunchi, sau aproximativ 1,400 de lire sterline pe inch pătrat. Dar țesutul poate dura de până la patru ori înainte de a se rupe. „Știam că este loc de îmbunătățire”, spune Wiley.

Implanturile de genunchi nu durează pentru totdeauna

În trecut, cercetătorii care încercau să creeze hidrogeluri mai puternice au folosit un proces de îngheț-dezgheț pentru a produce cristale în gel, care alunga apa și ajută la menținerea lanțurilor polimerice împreună. În noul studiu, în loc să înghețe și să dezghețe hidrogelul, cercetătorii au folosit un tratament termic numit recoacere pentru a atrage și mai multe cristale să se formeze în rețeaua polimerică.

Prin creșterea conținutului de cristale, cercetătorii au reușit să producă un gel care poate rezista de cinci ori mai mult stres de la tragere și aproape de două ori mai mult la stoarcere față de metodele de îngheț-dezgheț. Rezistența îmbunătățită a gelului recoacet a ajutat, de asemenea, la rezolvarea unei a doua provocări de proiectare: fixarea acestuia de îmbinare și asigurarea acestuia să rămână pe loc.

Cartilajul formează un strat subțire care acoperă capetele oaselor, astfel încât acestea să nu se zdrobească unul împotriva celuilalt. Studiile anterioare nu au reușit să atașeze hidrogelurile direct de os sau cartilaj cu o rezistență suficientă pentru a le împiedica să se desprindă sau să alunece. Deci, echipa Duke a venit cu o abordare diferită.

Metoda lor de atașare implică cimentarea și fixarea hidrogelului la a titan baza. Acesta este apoi presat și ancorat într-o gaură în care se afla cartilajul deteriorat. Testele arată că designul rămâne fixat cu 68% mai ferm decât cartilajul natural pe os.

„O altă preocupare pentru implanturile de genunchi este uzura în timp, atât a implantului în sine, cât și a cartilajului opus”, spune Wiley.

„O schimbare dramatică a tratamentului”

Alți cercetători au încercat să înlocuiască cartilajul deteriorat cu implanturi pentru genunchi din metal sau polietilenă, dar, deoarece aceste materiale sunt mai rigide decât cartilajul, se pot ușura cu alte părți ale genunchiului.

În testele de uzură, cercetătorii au luat cartilaj artificial și cartilaj natural și le-au rotit unul împotriva celuilalt de un milion de ori, cu o presiune similară cu ceea ce experimentează genunchiul în timpul mersului.

Folosind o tehnică de scanare cu raze X de înaltă rezoluție numită micro-tomografie computerizată (micro-CT), oamenii de știință au descoperit că suprafața versiunii lor realizate în laborator a rezistat de trei ori mai bine decât cea reală. Cu toate acestea, deoarece hidrogelul imită natura netedă, alunecoasă și moale a cartilajului real, protejează alte suprafețe articulare de frecare atunci când alunecă împotriva implantului.

Cartilajul natural este un material remarcabil de durabil. Dar, odată deteriorat, are o capacitate limitată de a se vindeca, deoarece nu are vase de sânge, spune Wiley.

In Statele Unite, osteoartrita este de două ori mai comună astăzi decât era acum un secol. Chirurgia este o opțiune atunci când tratamentele conservatoare eșuează. De-a lungul deceniilor, chirurgii au dezvoltat o serie de abordări minim invazive, cum ar fi îndepărtarea cartilajului liber sau realizarea de găuri pentru a stimula o nouă creștere sau transplantul de cartilaj sănătos de la un donator. Dar toate aceste metode necesită luni de dezintoxicare, iar un anumit procent dintre ele eșuează în timp.

În general, considerată o ultimă soluție, protecția totală a genunchiului este o modalitate dovedită de a ameliora durerea. Dar nici articulațiile artificiale nu durează pentru totdeauna. În special pentru pacienții mai tineri care doresc să evite o intervenție chirurgicală majoră pentru un dispozitiv care va trebui doar înlocuit din nou pe linie, spune Wiley, „pur și simplu nu există opțiuni foarte bune”.

„Cred că aceasta va fi o schimbare dramatică în tratamentul oamenilor în această etapă”, spune Wiley.

Sparta Biomedical și Facilitatea de instrumentare a materialelor partajate de la Universitatea Duke au finanțat lucrarea. Wiley și Gall sunt acționari la Sparta Biomedical.

Sursa: Universitatea Duke

Cărți asemănătoare:

Corpul păstrează scorul: creier, minte și corp în vindecarea traumei

de Bessel van der Kolk

Această carte explorează conexiunile dintre traumă și sănătatea fizică și mentală, oferind perspective și strategii pentru vindecare și recuperare.

Click pentru mai multe informatii sau pentru a comanda

Respirația: Noua știință a unei arte pierdute

de James Nestor

Această carte explorează știința și practica respirației, oferind perspective și tehnici pentru îmbunătățirea sănătății fizice și mentale.

Click pentru mai multe informatii sau pentru a comanda

Paradoxul plantelor: pericolele ascunse din alimentele „sănătoase” care provoacă boli și creșterea în greutate

de Steven R. Gundry

Această carte explorează legăturile dintre dietă, sănătate și boală, oferind perspective și strategii pentru îmbunătățirea sănătății generale și a bunăstării.

Click pentru mai multe informatii sau pentru a comanda

Codul de imunitate: noua paradigmă pentru sănătate reală și anti-îmbătrânire radicală

de Joel Greene

Această carte oferă o nouă perspectivă asupra sănătății și imunității, bazându-se pe principiile epigeneticii și oferind perspective și strategii pentru optimizarea sănătății și a îmbătrânirii.

Click pentru mai multe informatii sau pentru a comanda

Ghidul complet pentru post: vindecă-ți corpul prin post intermitent, în zile alternative și prelungit

de Dr. Jason Fung și Jimmy Moore

Această carte explorează știința și practica postului, oferind perspective și strategii pentru îmbunătățirea sănătății generale și a bunăstării.

Click pentru mai multe informatii sau pentru a comanda