Исследователи из Университета Дьюка в Дареме (штат Северная Каролина, США) создали синтетический хрящ, более прочный и эластичный, чем настоящий. Об этом сообщает интернет-издание Freethink. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.
Материал, названный Ormi-CFC, может стать основой для имплантатов следующего поколения, которые способны облегчить боль и проблемы с подвижностью при боли в колене, включая десятки миллионов людей, страдающих от остеоартрита – наиболее распространенной причины хирургической замены коленного сустава.
Несмотря на то, что в настоящее время это проверенный и надежный метод облегчения боли, замена коленного сустава сопряжена со всеми рисками, присущими хирургическим операциям, такими как инфекция, и требует периода физической реабилитации. Причем все это делается для имплантатов, которые в конечном итоге необходимо будет снова заменять.
Но имплантат, который прочнее естественного хряща, способен обеспечить долгосрочную альтернативу.
«Цель разработки Ormi-CFC состоит в том, чтобы отсрочить необходимость замены коленного сустава и его дальнейшую деградацию», – отметил Бенджамин Уайли, профессор химии Университета Дьюка, руководитель исследования.
Он также пояснил: «Этот имплантат предназначен для людей с болью в колене, но для тех, у кого поврежденная область не настолько обширна, чтобы нуждаться в полной замене коленного сустава. В настоящее время нет хорошего решения для этой группы пациентов».
Первые имплантаты с использованием синтетического хряща в настоящее время разрабатываются и тестируются на овцах компанией Sparta Biomedical. Хрящи внутри суставов выполняют три важные функции: амортизируют кости, действуя как амортизатор; уменьшают трение, позволяя костям плавно двигаться друг относительно друга; и помогают обеспечить структурную поддержку суставов при движении и в качестве опорной точки, соединяя сухожилия, мышцы и связки с костями.
При остеоартрите хрящ разрушается, что приводит к ряду негативных последствий, включая боль, ограничение активности и трудоспособности, социальную изоляцию и депрессию. По словам Уайли, после изнашивания хрящ не очень хорошо восстанавливается из-за отсутствия кровеносных сосудов. Когда это происходит внутри коленей, замена коленного сустава может стать единственным эффективным решением.
Синтетический хрящ исследовательской группы Университета Дьюка сделан из тонких листов целлюлозных волокон – материалов, получаемых из древесины или другого растительного материала. Затем волокна были пропитаны поливиниловым спиртом для создания гидрогеля. Полученный материал имитирует волокна коллагена в естественном хряще, а гидрогель помогает ему вернуться к своей первоначальной форме.
Натуральный хрящ может выдерживать около 400 и 600 кг/кв.см соответственно на растяжение и сжатие. Новый синтетический хрящ показал себя прочнее на 26% при растяжении и на 66% – при сжатии.
Большинство гидрогелей укрепляют путем неоднократного замораживания и оттаивания, образуя внутри геля кристаллы, которые выталкивают воду и помогают полимерным цепям лучше держаться вместе. Но исследователи Университета Дьюка выбрали прямо противоположный подход.
Свой синтетический хрящ они нагревали, повышая температуру, прежде чем дать ему медленно остыть. Этот процесс называется отжигом. Отожженный гель создает еще больше кристаллов, что позволяет ему выдерживать в пять раз большую нагрузку на растяжение и почти в два раза большую нагрузку на сжатие, чем гели, упрочненные методом замораживания-оттаивания.
Кроме того, исследователям пришлось решить еще одну важную проблему при создании коленных имплантатов: заставить материал безвредно и надежно закрепляться внутри тела. Предыдущие исследования показали, что гидрогелевые имплантаты имеют тенденцию соскальзывать или отрываться, когда прикреплены прямо к кости. Вместо этого Ormi-CFC предварительно прикрепляется к титановой основе.
Стресс-тестирование геля путем втирания его в натуральный хрящ при давлении, аналогичном давлению, оказываемому на колено при ходьбе, показало, что синтетический хрящ на самом деле в три раза более устойчив к износу.
Но прежде чем синтетический хрящ можно будет имплантировать пациентам, его необходимо будет клинически протестировать на людях, чтобы сначала убедиться, что он безопасен и эффективен. Ожидается, что такие испытания начнутся весной 2023 года. В конечном итоге гидрогель предполагается использовать и в имплантатах всего коленного сустава целиком.