實驗室製造的膝關節軟骨打敗了真實的東西

置換膝關節軟骨 8 16
一種新的實驗室製造的膝關節軟骨的張力比天然軟骨強 26%,就像將七架三角鋼琴懸掛在鑰匙環上一樣,壓縮力強 66%——這就像在郵票上停車一樣。 (信用: 丹尼爾·蒂勒/Unsplash)

一項新的研究表明,一種新的基於凝膠的膝關節軟骨替代品比真實的更堅固、更耐用。

非處方止痛藥、物理療法、類固醇注射——有些人已經嘗試了這一切,但仍在處理膝蓋疼痛。

膝關節疼痛通常來自於膝關節的逐漸磨損和撕裂 軟骨 被稱為骨關節炎,影響全球近六分之一的成年人——867億人。 對於那些想要避免更換整個膝關節的人來說,新的軟骨可以很快幫助患者快速、無痛地重新站起來,並保持這種狀態。

據報導在雜誌 高級功能材料, 機械測試表明,水凝膠——一種由吸水聚合物製成的材料——可以比天然軟骨更大的力進行擠壓和拉動,並且耐磨性高出三倍。

Sparta Biomedical 目前正在開發由這種材料製成的植入物,並在綿羊身上進行測試。 研究人員正準備明年開始在人體中進行臨床試驗。

“如果一切按計劃進行,臨床試驗最早應該在 2023 年 XNUMX 月開始,”杜克大學化學教授 Benjamin Wiley 與機械工程和材料科學教授 Ken Gall 一起領導了這項研究。

天然膝關節軟骨

為了製造這種材料,該團隊取了纖維素纖維薄片,並在它們中註入一種稱為聚乙烯醇的聚合物——一種由重複分子的細長鏈組成的粘性粘性物質——以形成凝膠。

纖維素纖維的作用就像 膠原纖維 Wiley 說,在天然軟骨中——它們在拉伸時賦予凝膠強度。 聚乙烯醇幫助它恢復到原來的形狀。 結果是一種類似果凍的材料,含有 60% 的水,既柔軟又令人驚訝的強度。

天然軟骨在達到其斷裂點之前可以分別承受高達每英寸 5,800 至 8,500 磅的拉力和擠壓力。 實驗室製造的版本是第一個可以處理更多的水凝膠。 它的張力比天然軟骨強 26%,就像將七架三角鋼琴懸掛在鑰匙環上一樣,壓縮力強 66%——這就像在郵票上停放汽車一樣。


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“就水凝膠強度而言,它確實超出了圖表,”威利說。

該團隊已經製造出具有卓越性能的水凝膠。 2020 年,他們報告說他們創造了第一個水凝膠 足以支撐膝蓋,每走一步都能感受到兩到三倍體重的力量。

然而,將凝膠作為軟骨替代物投入實際使用,提出了額外的設計挑戰。 一是達到軟骨強度的上限。 跳躍、弓步或爬樓梯等活動會對膝蓋的軟骨施加大約 10 兆帕的壓力,即每平方英寸大約 1,400 磅。 但組織在破裂之前可能需要四倍的時間。 “我們知道還有改進的餘地,”威利說。

膝關節植入物不會永遠持續下去

過去,試圖製造更堅固的水凝膠的研究人員使用凍融工藝在凝膠內產生晶體,從而排出水分並幫助將聚合物鏈保持在一起。 在這項新研究中,研究人員沒有冷凍和解凍水凝膠,而是使用一種稱為退火的熱處理來誘導更多的晶體在聚合物網絡中形成。

通過增加晶體含量,研究人員能夠生產出一種凝膠,與凍融方法相比,它可以承受五倍的拉力和近兩倍的擠壓。 退火凝膠強度的提高還有助於解決第二個設計挑戰:將其固定在接頭上並使其保持原位。

軟骨形成一層覆蓋骨頭末端的薄層,因此它們不會相互磨擦。 以前的研究無法以足夠的強度將水凝膠直接附著在骨骼或軟骨上,以防止它們鬆脫或滑落。 所以杜克團隊想出了一個不同的方法。

他們的附著方法包括將水凝膠粘合併夾在一個 根據。 然後將其壓入並錨定到受損軟骨曾經所在的孔中。 測試表明,該設計比天然軟骨固定在骨頭上的牢固度高 68%。

“膝關節植入物的另一個問題是隨著時間的推移,植入物本身和相對的軟骨都會磨損,”威利說。

“治療的巨大變化”

其他研究人員曾嘗試用金屬或聚乙烯製成的膝關節植入物替換受損的軟骨,但由於這些材料比軟骨更硬,它們會摩擦​​膝蓋的其他部位。

在磨損測試中,研究人員將人造軟骨和天然軟骨相互旋轉一百萬次,壓力與步行時膝蓋所承受的壓力相似。

使用稱為微型計算機斷層掃描 (micro-CT) 的高分辨率 X 射線掃描技術,科學家們發現他們實驗室製造的版本的表面比真實的要好三倍。 然而,由於水凝膠模仿了真實軟骨的光滑、光滑、緩衝性質,它可以保護其他關節表面在與植入物滑動時免受摩擦。

天然軟骨是非常耐用的東西。 但是一旦受損,它的癒合能力就會有限,因為它沒有任何血管,威利說。

在美國, 骨性關節炎 今天的發病率是一個世紀前的兩倍。 當保守治療失敗時,手術是一種選擇。 幾十年來,外科醫生開發了許多微創方法,例如去除鬆散的軟骨,或打孔以刺激新的生長,或從供體移植健康的軟骨。 但是所有這些方法都需要幾個月的康復時間,其中一定比例的方法會隨著時間的推移而失敗。

通常被認為是最後的手段,全膝關節置換術是一種行之有效的緩解疼痛的方法。 但人工關節也不會永遠持續下去。 威利說,特別是對於希望避免大手術而只需要再次更換的設備的年輕患者,“那裡沒有很好的選擇。”

“我認為這將是現階段人們治療的巨大變化,”威利說。

Sparta Biomedical 和杜克大學的共享材料儀器設備資助了這項工作。 Wiley 和 Gall 是 Sparta Biomedical 的股東。

資源: 杜克大學


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