penggantian rawan lutut 8 16
Rawan lutut buatan makmal baharu adalah 26% lebih kuat daripada rawan semula jadi dalam ketegangan, sesuatu seperti menggantung tujuh piano besar dari cincin kunci dan 66% lebih kuat dalam mampatan—yang sama seperti meletakkan kereta pada setem pos. (Kredit: Daniel Thiele/Unsplash)

Pengganti tulang rawan lutut berasaskan gel baru lebih kuat dan lebih tahan lama daripada perkara sebenar, menurut satu kajian baru.

Ubat penahan sakit yang dijual bebas, terapi fizikal, suntikan steroid—sesetengah orang telah mencuba semuanya dan masih menghadapi sakit lutut.

Selalunya sakit lutut datang dari haus dan lusuh yang progresif rawan dikenali sebagai osteoarthritis, yang menjejaskan hampir satu daripada enam orang dewasa-867 juta orang-di seluruh dunia. Bagi mereka yang ingin mengelak daripada menggantikan keseluruhan sendi lutut, tulang rawan baharu tidak lama lagi boleh membantu pesakit bangun semula dengan cepat, tanpa rasa sakit, dan kekal seperti itu.

Seperti yang dilaporkan dalam jurnal Bahan Fungsian Lanjutan, ujian mekanikal mendedahkan bahawa hidrogel—bahan yang diperbuat daripada polimer penyerap air—boleh ditekan dan ditarik dengan lebih kuat daripada rawan semula jadi, dan tiga kali lebih tahan haus dan lusuh.


grafik langganan dalaman


Implan yang diperbuat daripada bahan itu kini sedang dibangunkan oleh Sparta Biomedical dan diuji dalam biri-biri. Penyelidik sedang bersiap sedia untuk memulakan ujian klinikal pada manusia tahun depan.

"Jika semuanya berjalan mengikut rancangan, percubaan klinikal harus bermula sejurus April 2023," kata Benjamin Wiley, seorang profesor kimia di Duke University yang mengetuai penyelidikan bersama-sama dengan Ken Gall, seorang profesor kejuruteraan mekanikal dan sains bahan.

Rawan lutut semulajadi

Untuk membuat bahan ini, pasukan itu mengambil kepingan nipis gentian selulosa dan memasukkannya dengan polimer yang dipanggil polivinil alkohol—sejenis goo likat yang terdiri daripada rantai molekul berulang—untuk membentuk gel.

Gentian selulosa bertindak seperti serat kolagen dalam rawan semula jadi, Wiley berkata-mereka memberikan kekuatan gel apabila diregangkan. Polivinil alkohol membantu ia kembali kepada bentuk asalnya. Hasilnya ialah bahan seperti Jello, 60% air, yang lembut namun sangat kuat.

Rawan semulajadi boleh menahan 5,800 hingga 8,500 paun setiap inci tarikan dan squishing, masing-masing, sebelum mencapai titik pecahnya. Versi buatan makmal adalah hidrogel pertama yang boleh mengendalikan lebih banyak lagi. Ia adalah 26% lebih kuat daripada rawan semula jadi dalam ketegangan, sesuatu seperti menggantung tujuh piano besar dari cincin kunci dan 66% lebih kuat dalam mampatan—yang akan menjadi seperti meletakkan kereta pada setem pos.

"Ia benar-benar terkeluar dari carta dari segi kekuatan hidrogel," kata Wiley.

Pasukan itu telah membuat hidrogel dengan sifat yang luar biasa. Pada tahun 2020, mereka melaporkan bahawa mereka telah mencipta hidrogel pertama cukup kuat untuk lutut, yang merasakan daya dua hingga tiga kali berat badan dengan setiap langkah.

Meletakkan gel untuk kegunaan praktikal sebagai pengganti rawan, bagaimanapun, memberikan cabaran reka bentuk tambahan. Satu adalah mencapai had atas kekuatan rawan. Aktiviti seperti melompat, melompat atau memanjat tangga memberi tekanan 10 Megapascal pada tulang rawan di lutut, atau kira-kira 1,400 paun setiap inci persegi. Tetapi tisu boleh mengambil masa sehingga empat kali ganda sebelum ia pecah. "Kami tahu ada ruang untuk penambahbaikan," kata Wiley.

Implan lutut tidak kekal selama-lamanya

Pada masa lalu, penyelidik yang cuba mencipta hidrogel yang lebih kuat menggunakan proses pencairan beku untuk menghasilkan kristal dalam gel, yang menghalau air dan membantu mengikat rantai polimer bersama-sama. Dalam kajian baru, bukannya membekukan dan mencairkan hidrogel, para penyelidik menggunakan rawatan haba yang dipanggil penyepuhlindapan untuk memujuk lebih banyak kristal untuk terbentuk dalam rangkaian polimer.

Dengan meningkatkan kandungan kristal, para penyelidik dapat menghasilkan gel yang boleh menahan tekanan lima kali ganda daripada tarikan dan hampir dua kali lebih banyak memerah berbanding kaedah pencairan beku. Kekuatan gel anil yang dipertingkatkan juga membantu menyelesaikan cabaran reka bentuk kedua: mengikatnya pada sendi dan memastikannya kekal.

Rawan membentuk lapisan nipis yang menutupi hujung tulang supaya tidak bercantum antara satu sama lain. Kajian terdahulu tidak dapat melekatkan hidrogel terus ke tulang atau rawan dengan kekuatan yang mencukupi untuk menghalangnya daripada terlepas atau tergelincir. Jadi pasukan Duke datang dengan pendekatan yang berbeza.

Kaedah pelekatan mereka melibatkan penyimenan dan pengapitan hidrogel kepada a titanium asas. Ini kemudiannya ditekan dan dilabuhkan ke dalam lubang tempat rawan yang rosak dahulu. Ujian menunjukkan reka bentuk kekal diikat 68% lebih kukuh daripada rawan semula jadi pada tulang.

"Satu lagi kebimbangan untuk implan lutut adalah haus dari masa ke masa, kedua-dua implan itu sendiri dan rawan lawan, " kata Wiley.

'Perubahan dramatik dalam rawatan'

Penyelidik lain telah cuba menggantikan rawan yang rosak dengan implan lutut yang diperbuat daripada logam atau polietilena, tetapi kerana bahan ini lebih kaku daripada rawan, ia boleh melecet pada bahagian lain lutut.

Dalam ujian haus, para penyelidik mengambil rawan tiruan dan rawan semula jadi dan berputar antara satu sama lain sejuta kali, dengan tekanan yang serupa dengan apa yang dialami lutut semasa berjalan.

Menggunakan teknik pengimbasan sinar-X resolusi tinggi yang dipanggil tomografi terkomputer mikro (micro-CT), saintis mendapati bahawa permukaan versi buatan makmal mereka bertahan tiga kali lebih baik daripada perkara sebenar. Namun kerana hidrogel meniru sifat rawan sebenar yang licin, licin dan berkusyen, ia melindungi permukaan sendi lain daripada geseran semasa ia menggelongsor terhadap implan.

Rawan semulajadi adalah bahan yang sangat tahan lama. Tetapi apabila rosak, ia mempunyai keupayaan terhad untuk sembuh kerana ia tidak mempunyai sebarang saluran darah, kata Wiley.

Di Amerika Syarikat, osteoartritis adalah dua kali lebih biasa hari ini berbanding abad yang lalu. Pembedahan adalah pilihan apabila rawatan konservatif gagal. Selama beberapa dekad pakar bedah telah membangunkan beberapa pendekatan invasif minimum, seperti membuang rawan longgar, atau membuat lubang untuk merangsang pertumbuhan baru, atau memindahkan rawan yang sihat daripada penderma. Tetapi semua kaedah ini memerlukan pemulihan selama berbulan-bulan, dan beberapa peratusan daripadanya gagal dari semasa ke semasa.

Secara umumnya dianggap sebagai pilihan terakhir, penggantian lutut total adalah cara yang terbukti untuk melegakan kesakitan. Tetapi sendi tiruan juga tidak kekal selama-lamanya. Khususnya untuk pesakit yang lebih muda yang ingin mengelakkan pembedahan besar untuk peranti yang hanya perlu diganti semula, Wiley berkata, "tiada pilihan yang sangat baik di luar sana."

"Saya fikir ini akan menjadi perubahan dramatik dalam rawatan untuk orang pada peringkat ini," kata Wiley.

Sparta Biomedical dan Kemudahan Instrumentasi Bahan Kongsi di Universiti Duke membiayai kerja tersebut. Wiley dan Gall ialah pemegang saham dalam Sparta Biomedical.

sumber: Universiti Duke

Buku berkaitan:

Badan Mengekalkan Skor: Otak Minda dan Badan dalam Penyembuhan Trauma

oleh Bessel van der Kolk

Buku ini meneroka hubungan antara trauma dan kesihatan fizikal dan mental, menawarkan pandangan dan strategi untuk penyembuhan dan pemulihan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

Nafas: Sains Baharu Seni yang Hilang

oleh James Nestor

Buku ini meneroka sains dan amalan pernafasan, menawarkan pandangan dan teknik untuk meningkatkan kesihatan fizikal dan mental.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

The Plant Paradox: Bahaya Tersembunyi dalam Makanan "Sihat" Yang Menyebabkan Penyakit dan Berat Badan

oleh Steven R. Gundry

Buku ini meneroka kaitan antara diet, kesihatan dan penyakit, menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

Kod Kekebalan: Paradigma Baharu untuk Kesihatan Sebenar dan Anti-Penuaan Radikal

oleh Joel Greene

Buku ini menawarkan perspektif baharu tentang kesihatan dan imuniti, menggunakan prinsip epigenetik dan menawarkan pandangan serta strategi untuk mengoptimumkan kesihatan dan penuaan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan

Panduan Lengkap Puasa: Sembuhkan Tubuh Anda Melalui Puasa Selang Selang, Hari Bergantian dan Berpanjangan

oleh Dr. Jason Fung dan Jimmy Moore

Buku ini meneroka sains dan amalan berpuasa yang menawarkan pandangan dan strategi untuk meningkatkan kesihatan dan kesejahteraan keseluruhan.

Klik untuk maklumat lanjut atau untuk memesan