Ένας νέος εργαστηριακός χόνδρος γονάτων είναι 26% ισχυρότερος από τον φυσικό χόνδρο σε τάση, κάτι σαν να αιωρούνται επτά πιάνα με ουρά από ένα μπρελόκ και 66% ισχυρότερος σε συμπίεση—πράγμα που θα ήταν σαν να σταθμεύετε ένα αυτοκίνητο σε γραμματόσημο. (Πίστωση: Daniel Thiele/Unsplash)
Ένα νέο υποκατάστατο χόνδρου γόνατος με βάση το gel είναι ισχυρότερο και πιο ανθεκτικό από το πραγματικό, σύμφωνα με μια νέα μελέτη.
Μη συνταγογραφούμενα αναλγητικά, φυσικοθεραπεία, ενέσεις στεροειδών—μερικοί άνθρωποι τα έχουν δοκιμάσει όλα και εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν τον πόνο στο γόνατο.
Συχνά ο πόνος στο γόνατο προέρχεται από την προοδευτική φθορά του χόνδρος αρθρώσεων γνωστή ως οστεοαρθρίτιδα, η οποία επηρεάζει σχεδόν έναν στους έξι ενήλικες—867 εκατομμύρια ανθρώπους—σε όλο τον κόσμο. Για όσους θέλουν να αποφύγουν την αντικατάσταση ολόκληρης της άρθρωσης του γόνατος, ο νέος χόνδρος θα μπορούσε σύντομα να βοηθήσει τους ασθενείς να σταθούν ξανά στα πόδια τους γρήγορα, χωρίς πόνο και να παραμείνουν έτσι.
Όπως αναφέρεται στο περιοδικό Προηγμένα λειτουργικά υλικά, οι μηχανικές δοκιμές αποκαλύπτουν ότι η υδρογέλη - ένα υλικό κατασκευασμένο από πολυμερή που απορροφούν το νερό - μπορεί να πιεστεί και να τραβηχτεί με περισσότερη δύναμη από τον φυσικό χόνδρο και είναι τρεις φορές πιο ανθεκτικό στη φθορά.
Εμφυτεύματα κατασκευασμένα από το υλικό αναπτύσσονται επί του παρόντος από τη Sparta Biomedical και δοκιμάζονται σε πρόβατα. Οι ερευνητές ετοιμάζονται να ξεκινήσουν κλινικές δοκιμές σε ανθρώπους το επόμενο έτος.
«Εάν όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο, η κλινική δοκιμή θα πρέπει να ξεκινήσει τον Απρίλιο του 2023», λέει ο Benjamin Wiley, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο Duke που ηγήθηκε της έρευνας μαζί με τον Ken Gall, καθηγητή μηχανολογίας και επιστήμης υλικών.
Φυσικός χόνδρος γόνατος
Για να φτιάξει αυτό το υλικό, η ομάδα πήρε λεπτά φύλλα ινών κυτταρίνης και τα έγχυσε με ένα πολυμερές που ονομάζεται πολυβινυλική αλκοόλη - ένα παχύρρευστο λίπος που αποτελείται από σχοινές αλυσίδες επαναλαμβανόμενων μορίων - για να σχηματίσει μια γέλη.
Οι ίνες κυτταρίνης δρουν όπως το ίνες κολλαγόνου στον φυσικό χόνδρο, λέει ο Wiley - δίνουν δύναμη στο τζελ όταν τεντώνονται. Η πολυβινυλική αλκοόλη το βοηθά να επανέλθει στο αρχικό του σχήμα. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό που μοιάζει με Jello, 60% νερό, το οποίο είναι εύκαμπτο αλλά εκπληκτικά ισχυρό.
Ο φυσικός χόνδρος μπορεί να αντέξει 5,800 έως 8,500 λίβρες ανά ίντσα έλξης και στρίμωξης, αντίστοιχα, πριν φτάσει στο σημείο θραύσης του. Η εργαστηριακή έκδοση είναι η πρώτη υδρογέλη που μπορεί να χειριστεί ακόμα περισσότερα. Είναι 26% ισχυρότερο από τον φυσικό χόνδρο σε τάση, κάτι σαν να αιωρούνται επτά πιάνα με ουρά από ένα μπρελόκ, και 66% ισχυρότερο σε συμπίεση — κάτι που θα ήταν σαν να παρκάρεις ένα αυτοκίνητο σε γραμματόσημο.
"Είναι πραγματικά εκτός διαγραμμάτων όσον αφορά την αντοχή υδρογέλης", λέει ο Wiley.
Η ομάδα έχει ήδη φτιάξει υδρογέλες με αξιόλογες ιδιότητες. Το 2020, ανέφεραν ότι δημιούργησαν την πρώτη υδρογέλη αρκετά δυνατό για τα γόνατα, που αισθάνονται τη δύναμη δύο έως τριπλάσιου του σωματικού βάρους σε κάθε βήμα.
Ωστόσο, η πρακτική χρήση του τζελ ως αντικατάσταση χόνδρου παρουσίασε πρόσθετες σχεδιαστικές προκλήσεις. Το ένα πέτυχε τα ανώτερα όρια αντοχής του χόνδρου. Δραστηριότητες όπως το άλμα, το πηδάλιο ή το ανέβασμα σκαλοπατιών ασκούν πίεση περίπου 10 Megapascal στον χόνδρο στο γόνατο ή περίπου 1,400 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα. Αλλά ο ιστός μπορεί να χρειαστεί έως και τέσσερις φορές περισσότερο πριν σπάσει. «Ξέραμε ότι υπήρχε περιθώριο βελτίωσης», λέει ο Wiley.
Τα εμφυτεύματα γόνατος δεν διαρκούν για πάντα
Στο παρελθόν, οι ερευνητές που προσπαθούσαν να δημιουργήσουν ισχυρότερες υδρογέλες χρησιμοποιούσαν μια διαδικασία ψύξης-απόψυξης για να παράγουν κρυστάλλους μέσα στο πήκτωμα, οι οποίοι διώχνουν το νερό και βοηθούν στη συγκράτηση των πολυμερών αλυσίδων μαζί. Στη νέα μελέτη, αντί να παγώσουν και να ξεπαγώσουν την υδρογέλη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια θερμική επεξεργασία που ονομάζεται ανόπτηση για να εξαναγκάσουν ακόμη περισσότερους κρυστάλλους να σχηματιστούν μέσα στο δίκτυο πολυμερών.
Αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε κρύσταλλο, οι ερευνητές μπόρεσαν να παράγουν ένα τζελ που μπορεί να αντέξει πέντε φορές περισσότερη πίεση από το τράβηγμα και σχεδόν διπλάσια πίεση σε σχέση με τις μεθόδους κατάψυξης-απόψυξης. Η βελτιωμένη αντοχή του ανοπτημένου τζελ βοήθησε επίσης στην επίλυση μιας δεύτερης σχεδιαστικής πρόκλησης: ασφάλισή του στην άρθρωση και κράτησή του.
Ο χόνδρος σχηματίζει ένα λεπτό στρώμα που καλύπτει τις άκρες των οστών, ώστε να μην τρίβονται μεταξύ τους. Προηγούμενες μελέτες δεν κατάφεραν να συνδέσουν υδρογέλες απευθείας στα οστά ή τους χόνδρους με επαρκή αντοχή ώστε να μην σπάσουν ή γλιστρήσουν. Έτσι, η ομάδα του Duke κατέληξε σε μια διαφορετική προσέγγιση.
Η μέθοδος προσκόλλησής τους περιλαμβάνει την τσιμεντοποίηση και τη σύσφιξη της υδρογέλης σε α τιτάνιο βάση. Στη συνέχεια πιέζεται και αγκυρώνεται σε μια τρύπα όπου ήταν ο κατεστραμμένος χόνδρος. Οι δοκιμές δείχνουν ότι το σχέδιο παραμένει στερεωμένο 68% πιο σταθερά από τον φυσικό χόνδρο στα οστά.
«Μια άλλη ανησυχία για τα εμφυτεύματα γόνατος είναι η φθορά με την πάροδο του χρόνου, τόσο του ίδιου του εμφυτεύματος όσο και του αντίθετου χόνδρου», λέει ο Wiley.
«Μια δραματική αλλαγή στη θεραπεία»
Άλλοι ερευνητές προσπάθησαν να αντικαταστήσουν τον κατεστραμμένο χόνδρο με εμφυτεύματα γονάτων κατασκευασμένα από μέταλλο ή πολυαιθυλένιο, αλλά επειδή αυτά τα υλικά είναι πιο άκαμπτα από τον χόνδρο, μπορούν να σπάσουν σε άλλα μέρη του γόνατος.
Σε δοκιμές φθοράς, οι ερευνητές πήραν τεχνητό χόνδρο και φυσικό χόνδρο και τους στριφογύρισαν μεταξύ τους ένα εκατομμύριο φορές, με πίεση παρόμοια με αυτή που βιώνει το γόνατο κατά το περπάτημα.
Χρησιμοποιώντας μια τεχνική σάρωσης ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης που ονομάζεται μικρο-υπολογιστική τομογραφία (micro-CT), οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η επιφάνεια της εργαστηριακής εκδοχής τους κρατούσε τρεις φορές καλύτερα από την πραγματική. Ωστόσο, επειδή η υδρογέλη μιμείται την λεία, ολισθηρή, μαξιλαρική φύση του πραγματικού χόνδρου, προστατεύει άλλες επιφάνειες των αρθρώσεων από την τριβή καθώς γλιστρούν πάνω στο εμφύτευμα.
Ο φυσικός χόνδρος είναι εξαιρετικά ανθεκτικό υλικό. Αλλά μόλις υποστεί βλάβη, έχει περιορισμένη ικανότητα επούλωσης επειδή δεν έχει αιμοφόρα αγγεία, λέει ο Wiley.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οστεοαρθρίτιδα είναι δύο φορές πιο συνηθισμένο σήμερα από ό,τι πριν από έναν αιώνα. Η χειρουργική επέμβαση είναι μια επιλογή όταν οι συντηρητικές θεραπείες αποτύχουν. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι χειρουργοί έχουν αναπτύξει μια σειρά από ελάχιστα επεμβατικές προσεγγίσεις, όπως η αφαίρεση χαλαρού χόνδρου ή η δημιουργία οπών για την τόνωση της νέας ανάπτυξης ή η μεταμόσχευση υγιούς χόνδρου από έναν δότη. Όμως όλες αυτές οι μέθοδοι απαιτούν μήνες αποκατάστασης και κάποιο ποσοστό τους αποτυγχάνει με την πάροδο του χρόνου.
Γενικά θεωρείται ως έσχατη λύση, η ολική αρθροπλαστική γόνατος είναι ένας αποδεδειγμένος τρόπος για την ανακούφιση του πόνου. Αλλά και οι τεχνητές αρθρώσεις δεν διαρκούν για πάντα. Ιδιαίτερα για τους νεότερους ασθενείς που θέλουν να αποφύγουν σοβαρές χειρουργικές επεμβάσεις για μια συσκευή που θα χρειαστεί μόνο να αντικατασταθεί ξανά στη γραμμή, λέει ο Wiley, «απλώς δεν υπάρχουν πολύ καλές επιλογές εκεί έξω».
«Νομίζω ότι αυτή θα είναι μια δραματική αλλαγή στη θεραπεία για τους ανθρώπους σε αυτό το στάδιο», λέει ο Wiley.
Η Sparta Biomedical και το Shared Materials Instrumentation Facility στο Πανεπιστήμιο Duke χρηματοδότησαν το έργο. Οι Wiley και Gall είναι μέτοχοι της Sparta Biomedical.
πηγή: Duke University
Σχετικές Βιβλία:
The Body Keeps the Score: Brain Mind and Body in the Healing of Trauma
από τον Bessel van der Kolk
Αυτό το βιβλίο διερευνά τις συνδέσεις μεταξύ του τραύματος και της σωματικής και ψυχικής υγείας, προσφέροντας ιδέες και στρατηγικές για τη θεραπεία και την ανάρρωση.
Κάντε κλικ για περισσότερες πληροφορίες ή για παραγγελία
Breath: The New Science of a Lost Art
από τον James Nestor
Αυτό το βιβλίο διερευνά την επιστήμη και την πρακτική της αναπνοής, προσφέροντας ιδέες και τεχνικές για τη βελτίωση της σωματικής και ψυχικής υγείας.
Κάντε κλικ για περισσότερες πληροφορίες ή για παραγγελία
Το παράδοξο των φυτών: Οι κρυμμένοι κίνδυνοι σε «υγιεινές» τροφές που προκαλούν ασθένειες και αύξηση βάρους
από τον Steven R. Gundry
Αυτό το βιβλίο διερευνά τους δεσμούς μεταξύ διατροφής, υγείας και ασθένειας, προσφέροντας ιδέες και στρατηγικές για τη βελτίωση της συνολικής υγείας και ευεξίας.
Κάντε κλικ για περισσότερες πληροφορίες ή για παραγγελία
The Immunity Code: The New Paradigm for Real Health and Radical Anti-aging
από τον Joel Greene
Αυτό το βιβλίο προσφέρει μια νέα προοπτική για την υγεία και την ανοσία, βασιζόμενη στις αρχές της επιγενετικής και προσφέροντας ιδέες και στρατηγικές για τη βελτιστοποίηση της υγείας και της γήρανσης.
Κάντε κλικ για περισσότερες πληροφορίες ή για παραγγελία
Ο πλήρης οδηγός νηστείας: Θεραπεύστε το σώμα σας μέσω διαλείπουσας, εναλλασσόμενης ημέρας και παρατεταμένης νηστείας
από τον Δρ Jason Fung και τον Jimmy Moore
Αυτό το βιβλίο διερευνά την επιστήμη και την πρακτική της νηστείας προσφέροντας ιδέες και στρατηγικές για τη βελτίωση της συνολικής υγείας και ευεξίας.
