Uusi laboratoriossa valmistettu polvinrusto on 26 % vahvempi kuin luonnollinen rusto jännityksessä, kuten seitsemän flyygelin ripustaminen avaimenperästä, ja 66 % vahvempi puristuksessa – mikä olisi kuin auton pysäköimistä postimerkille. (Luotto: Daniel Thiele / Unsplash)
Uusi geelipohjainen polven ruston korvike on uuden tutkimuksen mukaan vahvempi ja kestävämpi kuin aito.
Reseptivapaat kipulääkkeet, fysioterapia, steroidi-injektiot – jotkut ihmiset ovat kokeilleet kaikkea ja kärsivät edelleen polvikivuista.
Usein polvikipu johtuu nivelten progressiivisesta kulumisesta rusto tunnetaan nimellä nivelrikko, joka vaikuttaa lähes joka kuudes aikuiseen – 867 miljoonaan ihmiseen – maailmanlaajuisesti. Niille, jotka haluavat välttää koko polvinivelen vaihtamista, uusi rusto voi pian auttaa potilaita nousemaan jaloilleen nopeasti, kivuttomasti ja pysymään sellaisena.
Kuten raportissa on ilmoitettu Kehittyneet toiminnalliset materiaalitMekaaninen testaus paljastaa, että hydrogeeliä – vettä imevistä polymeereistä valmistettua materiaalia – voidaan puristaa ja vetää enemmän voimalla kuin luonnollista rustoa, ja se kestää kolme kertaa paremmin kulumista ja repeytymistä.
Sparta Biomedical kehittää parhaillaan materiaalista valmistettuja implantteja, joita testataan lampailla. Tutkijat valmistautuvat aloittamaan kliiniset tutkimukset ihmisillä ensi vuonna.
"Jos kaikki menee suunnitelmien mukaan, kliinisen tutkimuksen pitäisi alkaa heti huhtikuussa 2023", sanoo Benjamin Wiley, Duken yliopiston kemian professori, joka johti tutkimusta yhdessä konetekniikan ja materiaalitieteen professorin Ken Gallin kanssa.
Luonnollinen polven rusto
Tämän materiaalin valmistamiseksi ryhmä otti ohuita selluloosakuitulevyjä ja infusoi niihin polyvinyylialkoholiksi kutsuttua polymeeriä - viskoosia liimaa, joka koostuu toistuvien molekyylien ketjuista - geelin muodostamiseksi.
Selluloosakuidut toimivat kuten kollageenikuidut luonnollisessa rustossa, Wiley sanoo - ne antavat geelille voimaa venytettynä. Polyvinyylialkoholi auttaa palaamaan alkuperäiseen muotoonsa. Tuloksena on Jello-tyyppinen materiaali, 60 % vettä, joka on notkea mutta yllättävän vahva.
Luonnollinen rusto kestää peräti 5,800 8,500–26 66 puntaa tuumaa kohden vetämistä ja puristamista, ennen kuin se saavuttaa murtumispisteensä. Laboratoriossa valmistettu versio on ensimmäinen hydrogeeli, joka kestää vielä enemmän. Se on XNUMX % vahvempi kuin luonnollinen rusto jännityksessä, kuten seitsemän flyygelin ripustaminen avaimenperästä, ja XNUMX % vahvempi puristuksessa – mikä olisi kuin auton pysäköimistä postimerkille.
"Se on todella poissa taulukoista hydrogeelin vahvuuden suhteen", Wiley sanoo.
Ryhmä on jo valmistanut hydrogeelejä, joilla on merkittäviä ominaisuuksia. Vuonna 2020 he ilmoittivat luoneensa ensimmäisen hydrogeelin tarpeeksi vahva polvilleen, jotka tuntevat jokaisella askeleella XNUMX-XNUMX kertaa kehon painon voiman.
Geelin ottaminen käytännön käyttöön rustonkorvikkeena toi kuitenkin lisää suunnitteluhaasteita. Yksi oli ruston lujuuden ylärajojen saavuttaminen. Aktiviteetit, kuten hyppiminen, syöksyminen tai portaiden kiipeäminen, aiheuttavat noin 10 megapascalin painetta polven rustoon eli noin 1,400 XNUMX puntaa neliötuumaa kohti. Mutta kudos voi kestää jopa neljä kertaa ennen kuin se rikkoutuu. "Tiesimme, että parantamisen varaa", Wiley sanoo.
Polviimplantit eivät kestä ikuisesti
Aiemmin tutkijat, jotka yrittivät luoda vahvempia hydrogeelejä, käyttivät jäädytys-sulatusprosessia tuottamaan geelin sisällä kiteitä, jotka ajavat ulos vettä ja auttavat pitämään polymeeriketjut yhdessä. Uudessa tutkimuksessa tutkijat käyttivät hydrogeelin jäädyttämisen ja sulatuksen sijaan lämpökäsittelyä, jota kutsutaan hehkutukseksi houkutellakseen entistä enemmän kiteitä muodostumaan polymeeriverkostoon.
Lisäämällä kidepitoisuutta tutkijat pystyivät tuottamaan geelin, joka kestää viisi kertaa enemmän vetämisen aiheuttamaa rasitusta ja lähes kaksi kertaa enemmän puristamista verrattuna pakastus-sulatusmenetelmiin. Hehkutetun geelin parannettu lujuus auttoi myös ratkaisemaan toisen suunnitteluhaasteen: kiinnittämään sen liitokseen ja saamaan sen pysymään paikoillaan.
Rusto muodostaa ohuen kerroksen, joka peittää luiden päät, jotta ne eivät hiero toisiaan vasten. Aiemmat tutkimukset eivät ole kyenneet kiinnittämään hydrogeelejä suoraan luuhun tai rustoon riittävän lujasti estämään niitä irtoamasta tai liukumasta pois. Joten Duke-tiimi keksi toisenlaisen lähestymistavan.
Niiden kiinnitysmenetelmään kuuluu sementointi ja hydrogeelin kiinnittäminen a titaani pohja. Tämä sitten puristetaan ja ankkuroidaan reikään, jossa vaurioitunut rusto oli aiemmin. Testit osoittavat, että malli pysyy kiinnitettynä 68 % tiukemmin kuin luonnollinen rusto luussa.
"Toinen polviimplanttien huolenaihe on ajan mittaan kuluminen, sekä itse implantti että vastakkainen rusto", Wiley sanoo.
"Dramaattinen muutos hoidossa"
Muut tutkijat ovat yrittäneet korvata vaurioituneen ruston metallista tai polyeteenistä valmistetuilla polviimplanteilla, mutta koska nämä materiaalit ovat rustoa jäykempiä, ne voivat hieroa polven muita osia.
Kulutustesteissä tutkijat ottivat keinorustoa ja luonnollista rustoa ja pyörittelivät niitä toisiaan vasten miljoona kertaa samanlaisella paineella kuin polvi kävellessä.
Käyttämällä korkearesoluutioista röntgenskannaustekniikkaa, nimeltään mikrotietokonetomografia (mikro-CT), tutkijat havaitsivat, että heidän laboratoriossa valmistetun versionsa pinta kesti kolme kertaa paremmin kuin todellinen. Koska hydrogeeli kuitenkin jäljittelee todellisen ruston sileää, liukasta ja pehmustavaa luonnetta, se suojaa muita nivelpintoja kitkalta niiden liukuessa implanttia vasten.
Luonnollinen rusto on erittäin kestävää tavaraa. Mutta kun se on vaurioitunut, sillä on rajoitettu kyky parantua, koska siinä ei ole verisuonia, Wiley sanoo.
Yhdysvalloissa, nivelrikko on nykyään kaksi kertaa yleisempää kuin vuosisata sitten. Leikkaus on vaihtoehto, kun konservatiiviset hoidot epäonnistuvat. Vuosikymmenten aikana kirurgit ovat kehittäneet useita minimaalisesti invasiivisia lähestymistapoja, kuten irtonaisen ruston poistaminen tai reikien tekeminen uuden kasvun stimuloimiseksi tai terveiden ruston siirtäminen luovuttajalta. Mutta kaikki nämä menetelmät vaativat kuukausien kuntoutuksen, ja osa niistä epäonnistuu ajan myötä.
Yleensä viimeisenä keinona pidetty täydellinen polven tekonivel on todistettu tapa lievittää kipua. Mutta tekonivelet eivät myöskään kestä ikuisesti. Erityisesti nuoremmille potilaille, jotka haluavat välttää suuren leikkauksen laitteelle, joka on vain vaihdettava uudelleen, Wiley sanoo, "ei yksinkertaisesti ole kovin hyviä vaihtoehtoja."
"Uskon, että tämä on dramaattinen muutos ihmisten hoidossa tässä vaiheessa", Wiley sanoo.
Sparta Biomedical ja Duken yliopiston Shared Materials Instrumentation Facility rahoittivat työn. Wiley ja Gall ovat Sparta Biomedicalin osakkaita.
Lähde: Duke University
Liittyvät kirjat:
Keho pitää pisteet: Aivomieli ja keho trauman paranemisessa
esittäjä (t): Bessel van der Kolk
Tämä kirja tutkii trauman ja fyysisen ja henkisen terveyden välisiä yhteyksiä ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita paranemiseen ja palautumiseen.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Breath: kadonneen taiteen uusi tiede
Kirjailija: James Nestor
Tämä kirja tutkii hengityksen tieteitä ja käytäntöjä ja tarjoaa oivalluksia ja tekniikoita fyysisen ja henkisen terveyden parantamiseksi.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Kasviparadoksi: "terveellisten" elintarvikkeiden piilotetut vaarat, jotka aiheuttavat sairauksia ja painonnousua
Kirjailija: Steven R. Gundry
Tämä kirja tutkii ruokavalion, terveyden ja sairauksien välisiä yhteyksiä ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita yleisen terveyden ja hyvinvoinnin parantamiseksi.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Immunity Code: Uusi paradigma todelliselle terveydelle ja radikaalille ikääntymisen estämiselle
Kirjailija: Joel Greene
Tämä kirja tarjoaa uuden näkökulman terveyteen ja immuniteettiin, hyödyntäen epigenetiikan periaatteita ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita terveyden ja ikääntymisen optimoimiseksi.
Klikkaa saadaksesi lisätietoja tai tilataksesi
Täydellinen opas paastoon: paranna kehosi jaksoittaisella, vuorotellen ja pitkällä paastolla
Tohtori Jason Fung ja Jimmy Moore
Tämä kirja tutkii paastoamisen tiedettä ja käytäntöä ja tarjoaa oivalluksia ja strategioita yleisen terveyden ja hyvinvoinnin parantamiseksi.
