实验室制造的膝关节软骨打败了真实的东西

置换膝关节软骨 8 16
一种新的实验室制造的膝关节软骨的张力比天然软骨强 26%,就像将七架三角钢琴悬挂在钥匙环上一样,压缩力强 66%——这就像在邮票上停车一样。 (信用: 丹尼尔·蒂勒/Unsplash)

一项新的研究表明,一种新的基于凝胶的膝关节软骨替代品比真实的更坚固、更耐用。

非处方止痛药、物理疗法、类固醇注射——有些人已经尝试了这一切,但仍在处理膝盖疼痛。

膝关节疼痛通常来自于膝关节的逐渐磨损和撕裂 软骨 被称为骨关节炎,影响全球近六分之一的成年人——867亿人。 对于那些想要避免更换整个膝关节的人来说,新的软骨可以很快帮助患者快速、无痛地重新站起来,并保持这种状态。

据报道在杂志 高级功能材料, 机械测试表明,水凝胶——一种由吸水聚合物制成的材料——可以比天然软骨更大的力进行挤压和拉动,并且耐磨性高出三倍。

Sparta Biomedical 目前正在开发由这种材料制成的植入物,并在绵羊身上进行测试。 研究人员正准备明年开始在人体中进行临床试验。

“如果一切按计划进行,临床试验最早应该在 2023 年 XNUMX 月开始,”杜克大学化学教授 Benjamin Wiley 与机械工程和材料科学教授 Ken Gall 一起领导了这项研究。

天然膝关节软骨

为了制造这种材料,该团队取了纤维素纤维薄片,并在它们中注入一种叫做聚乙烯醇的聚合物——一种由重复分子的细链组成的粘性粘性物质——形成凝胶。

纤维素纤维的作用就像 胶原纤维 Wiley 说,在天然软骨中——它们在拉伸时赋予凝胶强度。 聚乙烯醇帮助它恢复到原来的形状。 结果是一种类似果冻的材料,含有 60% 的水,既柔软又令人惊讶的强度。

天然软骨在达到其断裂点之前可以分别承受高达每英寸 5,800 至 8,500 磅的拉力和挤压力。 实验室制造的版本是第一个可以处理更多的水凝胶。 它的张力比天然软骨强 26%,就像将七架三角钢琴悬挂在钥匙环上一样,压缩力强 66%——这就像在邮票上停放汽车一样。


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“就水凝胶强度而言,它确实超出了图表,”威利说。

该团队已经制造出具有卓越性能的水凝胶。 2020 年,他们报告说他们创造了第一个水凝胶 足以支撑膝盖,每走一步都能感受到两到三倍体重的力量。

然而,将凝胶作为软骨替代物投入实际使用,提出了额外的设计挑战。 一是达到软骨强度的上限。 跳跃、弓步或爬楼梯等活动会对膝盖的软骨施加大约 10 兆帕的压力,即每平方英寸大约 1,400 磅。 但组织在破裂之前可能需要四倍的时间。 “我们知道还有改进的余地,”威利说。

膝关节植入物不会永远持续下去

过去,试图制造更强效水凝胶的研究人员使用冻融工艺在凝胶内产生晶体,从而排出水分并帮助将聚合物链固定在一起。 在这项新研究中,研究人员没有冷冻和解冻水凝胶,而是使用一种称为退火的热处理来诱导更多的晶体在聚合物网络中形成。

通过增加晶体含量,研究人员能够生产出一种凝胶,与冻融方法相比,这种凝胶可以承受五倍的拉力和近两倍的挤压。 退火凝胶强度的提高还有助于解决第二个设计挑战:将其固定在接头上并使其保持原位。

软骨形成一层覆盖骨头末端的薄层,因此它们不会相互磨擦。 以前的研究无法以足够的强度将水凝胶直接附着在骨骼或软骨上,以防止它们松脱或滑落。 所以杜克团队想出了一个不同的方法。

他们的附着方法包括将水凝胶粘合并夹在一个 根据。 然后将其压入并锚定到受损软骨曾经所在的孔中。 测试表明,该设计比天然软骨固定在骨头上的牢固度高 68%。

“膝关节植入物的另一个问题是随着时间的推移,植入物本身和相对的软骨都会磨损,”威利说。

“治疗的巨大变化”

其他研究人员曾尝试用金属或聚乙烯制成的膝关节植入物代替受损的软骨,但由于这些材料比软骨更硬,它们可能会摩擦膝盖的其他部位。

在磨损测试中,研究人员将人造软骨和天然软骨相互旋转一百万次,其压力类似于步行时膝盖所承受的压力。

使用称为微型计算机断层扫描 (micro-CT) 的高分辨率 X 射线扫描技术,科学家们发现他们实验室制造的版本的表面比真实的要好三倍。 然而,由于水凝胶模仿了真实软骨的光滑、光滑、缓冲性质,它可以保护其他关节表面在与植入物滑动时免受摩擦。

天然软骨是非常耐用的东西。 但是一旦受损,它的愈合能力就会有限,因为它没有任何血管,威利说。

在美国, 骨性关节炎 今天的发病率是一个世纪前的两倍。 当保守治疗失败时,手术是一种选择。 几十年来,外科医生开发了许多微创方法,例如去除松散的软骨,或打孔以刺激新的生长,或从供体移植健康的软骨。 但是所有这些方法都需要几个月的康复时间,其中一定比例的方法会随着时间的推移而失败。

通常被认为是最后的手段,全膝关节置换术是一种行之有效的缓解疼痛的方法。 但人工关节也不会永远持续下去。 威利说,特别是对于那些希望避免大手术而只需要再次更换的设备的年轻患者,“那里没有很好的选择。”

“我认为这将是现阶段人们治疗的巨大变化,”威利说。

Sparta Biomedical 和杜克大学的共享材料仪器设备资助了这项工作。 Wiley 和 Gall 是 Sparta Biomedical 的股东。

来源: 杜克大学


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