Knorpelartiges Gel Stark genug für künstliche Knie

Menschlicher Knorpel ist ein komplexes Material – stark genug, um viel Gewicht aufzunehmen, aber auch flexibel genug, um die Auswirkungen auf die Gelenke abzufedern und sich in verschiedene Richtungen zu dehnen und zu verdrehen.

Diese Komplexität ist der Grund, warum Forscher herausgefordert wurden, eine praktikable künstliche Alternative zu Knorpel in einem Labor zu finden. Forscher der Duke University glauben jedoch, dass sie einem neuen Gel nahe gekommen sind, das sowohl der Festigkeit als auch der Haltbarkeit des menschlichen Materials entspricht.

Das Material, das das Duke—Team entwickelt hat, ist ein Hydrogel – ein Material aus wasserabsorbierenden Polymeren —, das dem menschlichen Knorpel insofern ähnlich ist, als es schweren Belastungen und Drehungen ohne nennenswerten Verschleiß im Laufe der Zeit standhalten kann, sagte Ben Wiley, ein Duke-Professor und Materialwissenschaftler, der die Arbeit gemeinsam mit seinem Kollegen Ken Gall leitete.

„Wir wollten das erste Hydrogel herstellen, das die mechanischen Eigenschaften von Knorpel aufweist“, sagte Wiley über die Ziele des Teams für ihr Projekt.

Knorpel ist zwar zäh, aber jahrelanger Verschleiß – insbesondere bei Sportlern oder Sportlern — ist schwer zu reparieren. Forscher stellen sich vor, dass das Gel verwendet werden kann, um geschädigten Knorpel bei Menschen zu ersetzen, die Knorpel um Gelenke wie Knie — oder das gesamte Gelenk selbst — ersetzen müssen, aber ernsthafte Operationen so lange wie möglich verschieben möchten.

Das neue Hydrogel, das die Forscher entwickelten, besteht aus zwei ineinander verschlungenen Polymernetzwerken. Einer besteht aus flexiblen Strängen ähnlich wie Spaghetti, während der andere steifer ist; beide haben entlang ihrer Länge negative Ladungen. Das dritte Element des Materials ist ein Geflecht aus Cellulosefasern, die die beiden anderen Materialien verstärken.

„Nur diese Kombination aller drei Komponenten ist sowohl flexibel als auch steif und daher stark“, sagte Feichen Yang, einer der Forscher des Projekts, der in Wileys Labor in Chemie promoviert hat, in einer Presseerklärung.

Wie Jell-O, aber stärker

Die Fähigkeit des Materials, wie Knorpel zu arbeiten, basiert auf zwei Schlüsselreaktionen auf Druck. Eine ist, dass, wenn das Gel gedehnt wird, die Cellulosefasern dem Ziehen widerstehen und helfen, das Material zusammenzuhalten.

Alternativ stoßen sich die negativen Ladungen entlang der starren Polymerketten beim Zusammendrücken des Hydrogels ab und haften an Wasser. Diese Reaktion hilft dem Material, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.

In aussehen, das material sieht nicht unähnlich Jell-O, obwohl die beliebte dessert hat nichts auf die hydrogel in bezug auf festigkeit. Obwohl das Gel zu 60 Prozent aus Wasser besteht, kann eine Scheibe von der Größe eines Viertels etwa 100 Pfund Gewicht tragen, ohne zu reißen oder ihre Form zu verlieren.

Das Team veröffentlichte einen Artikel über seine Arbeit in der Zeitschrift Advanced Functional Materials.

Die Forscher führten verschiedene Tests durch, um die Leistung des Materials nachzuweisen. In einem, forscher unterzogen es zu 100,000 zyklen von wiederholen ziehen, mit überraschenden ergebnissen, sie sagte. Das Material war genauso haltbar wie poröses Titan, das für Knochenimplantate verwendet wurde.

In einem weiteren Experiment rieb das Team das neue Material millionenfach gegen natürlichen Knorpel. Die Ergebnisse zeigten, dass die Oberfläche des Hydrogels so verschleißfest ist wie die reale Sache und viermal verschleißfester als synthetische Knorpelimplantate, die derzeit von der FDA für den Einsatz im großen Zeh zugelassen sind.

Obwohl es noch mindestens drei Jahre dauern wird, bis Labortests in klinische Studien übergehen können, planen die Forscher, das Material weiterzuentwickeln. Ihr nächster Schritt wird darin bestehen, ein Implantat zu entwickeln, das sie bei Schafen testen können.

Elizabeth Montalbano ist eine freiberufliche Autorin, die seit mehr als 20 Jahren über Technologie und Kultur schreibt. Sie hat als professionelle Journalistin in Phoenix, San Francisco und New York City gelebt und gearbeitet. In ihrer Freizeit genießt sie Surfen, Reisen, Musik, Yoga und Kochen. Sie lebt derzeit in einem Dorf an der Südwestküste Portugals.

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