En ny laboratorielaget knebrusk er 26 % sterkere enn naturlig brusk i spenning, noe som å henge syv flygler fra en nøkkelring, og 66 % sterkere i kompresjon – som ville være som å parkere en bil på et frimerke. (Kreditt: Daniel Thiele/Unsplash)

En ny gelbasert knebruskerstatning er sterkere og mer holdbar enn den ekte varen, ifølge en ny studie.

Over-the-counter smertestillende midler, fysioterapi, steroidinjeksjoner - noen mennesker har prøvd alt og har fortsatt med knesmerter.

Ofte kommer knesmerter fra progressiv slitasje av brusk kjent som slitasjegikt, som rammer nesten én av seks voksne – 867 millioner mennesker – over hele verden. For de som ønsker å unngå å erstatte hele kneleddet, kan den nye brusken snart hjelpe pasientene til å komme seg raskt, smertefritt og forbli slik.

Som rapportert i tidsskriftet Avanserte funksjonelle materialer, avslører mekanisk testing at hydrogelen – et materiale laget av vannabsorberende polymerer – kan presses og trekkes med mer kraft enn naturlig brusk, og er tre ganger mer motstandsdyktig mot slitasje.

Implantater laget av materialet utvikles for tiden av Sparta Biomedical og testes på sau. Forskere forbereder seg på å starte kliniske studier på mennesker neste år.

"Hvis alt går etter planen, bør den kliniske utprøvingen starte så snart som i april 2023," sier Benjamin Wiley, en kjemiprofessor ved Duke University som ledet forskningen sammen med Ken Gall, en professor i maskinteknikk og materialvitenskap.

Naturlig knebrusk

For å lage dette materialet tok teamet tynne ark med cellulosefibre og tilførte dem en polymer kalt polyvinylalkohol - en viskøs goo som består av trevlete kjeder av repeterende molekyler - for å danne en gel.

Cellulosefibrene fungerer som kollagenfibre i naturlig brusk, sier Wiley - de gir gelen styrke når den strekkes. Polyvinylalkoholen hjelper den tilbake til sin opprinnelige form. Resultatet er et Jello-lignende materiale, 60 % vann, som er smidig, men likevel overraskende sterkt.

Naturlig brusk tåler 5,800 til 8,500 pounds per tomme av henholdsvis rykking og squishing før den når bristepunktet. Den laboratorieproduserte versjonen er den første hydrogelen som kan håndtere enda mer. Det er 26 % sterkere enn naturlig brusk i spenning, noe som å henge syv flygler fra en nøkkelring, og 66 % sterkere i kompresjon – som ville vært som å parkere en bil på et frimerke.

"Det er virkelig utenfor listene når det gjelder hydrogelstyrke," sier Wiley.

Teamet har allerede laget hydrogeler med bemerkelsesverdige egenskaper. I 2020 rapporterte de at de hadde laget den første hydrogelen sterk nok for knærne, som føler kraften på to til tre ganger kroppsvekten med hvert trinn.

Å sette gelen i praktisk bruk som en bruskerstatning ga imidlertid ytterligere designutfordringer. Den ene var å oppnå de øvre grensene for bruskens styrke. Aktiviteter som å hoppe, utfalle eller gå i trapper legger rundt 10 megapascal trykk på brusken i kneet, eller omtrent 1,400 pund per kvadrattomme. Men vevet kan ta opptil fire ganger så mye før det går i stykker. "Vi visste at det var rom for forbedring," sier Wiley.

Kneimplantater varer ikke evig

Tidligere brukte forskere som forsøkte å lage sterkere hydrogeler en fryse-tine-prosess for å produsere krystaller i gelen, som driver ut vann og hjelper til med å holde polymerkjedene sammen. I den nye studien, i stedet for å fryse og tine hydrogelen, brukte forskerne en varmebehandling kalt annealing for å lokke enda flere krystaller til å dannes i polymernettverket.

Ved å øke krystallinnholdet klarte forskerne å produsere en gel som tåler fem ganger så mye stress ved å trekke og nesten dobbelt så mye klem i forhold til fryse-tine-metoder. Den forbedrede styrken til den glødede gelen bidro også til å løse en andre designutfordring: å feste den til skjøten og få den til å holde seg på plass.

Brusk danner et tynt lag som dekker endene av bein slik at de ikke sliper mot hverandre. Tidligere studier har ikke vært i stand til å feste hydrogeler direkte til bein eller brusk med tilstrekkelig styrke til å forhindre at de løsner eller glir av. Så Duke-teamet kom opp med en annen tilnærming.

Deres festemetode innebærer å sementere og klemme hydrogelen til en titan utgangspunkt. Denne presses deretter og forankres i et hull der den skadede brusken pleide å være. Tester viser at designet forblir festet 68 % mer fast enn naturlig brusk på bein.

"En annen bekymring for kneimplantater er slitasje over tid, både av selve implantatet og den motsatte brusken," sier Wiley.

"En dramatisk endring i behandlingen"

Andre forskere har forsøkt å erstatte skadet brusk med kneimplantater laget av metall eller polyetylen, men fordi disse materialene er stivere enn brusk kan de gnage mot andre deler av kneet.

I slitasjetester tok forskerne kunstig brusk og naturlig brusk og snurret dem mot hverandre en million ganger, med et trykk som ligner på det kneet opplever under gange.

Ved å bruke en høyoppløselig røntgenskanningsteknikk kalt mikrocomputertomografi (mikro-CT), fant forskerne at overflaten på deres laboratorielagde versjon holdt seg tre ganger bedre enn den virkelige varen. Men fordi hydrogelen etterligner den glatte, glatte, dempende naturen til ekte brusk, beskytter den andre leddflater mot friksjon når de glir mot implantatet.

Naturlig brusk er bemerkelsesverdig holdbare ting. Men når den først er skadet, har den begrenset evne til å helbrede fordi den ikke har noen blodårer, sier Wiley.

I USA, artrose er dobbelt så vanlig i dag enn for et århundre siden. Kirurgi er et alternativ når konservative behandlinger mislykkes. I løpet av tiårene har kirurger utviklet en rekke minimalt invasive tilnærminger, som å fjerne løs brusk, eller lage hull for å stimulere ny vekst, eller transplantere sunn brusk fra en donor. Men alle disse metodene krever måneder med rehabilitering, og noen prosentandeler av dem mislykkes over tid.

Generelt ansett som en siste utvei, er total kneprotese en velprøvd måte å lindre smerte. Men kunstige ledd varer heller ikke evig. Spesielt for yngre pasienter som ønsker å unngå større operasjoner for en enhet som bare må byttes ut igjen, sier Wiley, "det er bare ikke veldig gode alternativer der ute."

"Jeg tror dette vil være en dramatisk endring i behandlingen for folk på dette stadiet," sier Wiley.

Sparta Biomedical og Shared Materials Instrumentation Facility ved Duke University finansierte arbeidet. Wiley og Gall er aksjonærer i Sparta Biomedical.

kilde: Duke University

Relaterte bøker:

Kroppen holder poengsummen: Hjernens sinn og kropp i helbredelsen av traumer

av Bessel van der Kolk

Denne boken utforsker sammenhengene mellom traumer og fysisk og mental helse, og tilbyr innsikt og strategier for helbredelse og bedring.

Klikk for mer info eller for å bestille

Pust: The New Science of a Lost Art

av James Nestor

Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med å puste, og tilbyr innsikt og teknikker for å forbedre fysisk og mental helse.

Klikk for mer info eller for å bestille

Planteparadokset: De skjulte farene i "sunn" mat som forårsaker sykdommer og vektøkning

av Steven R. Gundry

Denne boken utforsker koblingene mellom kosthold, helse og sykdom, og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.

Klikk for mer info eller for å bestille

Immunitetskoden: Det nye paradigmet for ekte helse og radikal antialdring

av Joel Greene

Denne boken tilbyr et nytt perspektiv på helse og immunitet, og trekker på prinsipper for epigenetikk og tilbyr innsikt og strategier for å optimalisere helse og aldring.

Klikk for mer info eller for å bestille

Den komplette guiden til faste: Helbred kroppen din gjennom periodisk, vekslende dag og forlenget faste

av Dr. Jason Fung og Jimmy Moore

Denne boken utforsker vitenskapen og praksisen med faste og tilbyr innsikt og strategier for å forbedre generell helse og velvære.

Klikk for mer info eller for å bestille