Искусственный хрящ на основе кевлара имитирует свойства настоящего почти волшебным образом.
Искусственный хрящ – очень гибкий, но прочный на разрыв
Источник: Университет штата Мичиган, США
Уникально сочетание прочности и гибкости хряща, который примерно на 80 процентов состоит из воды, но при этом в некоторых случаях выдерживает наибольшие возникающие в наших телах нагрузки. Синтетические материалы не могли сравниться с ним – пока исследователями университета штата Мичиган (США) и Цзяннаньского университета (Китай) не был разработан «Кевлартилаж» (англ. "Kevlartilage").
«Мы знаем, что мы состоим в основном из воды – как и вся жизнь - и все же наши тела обладают значительной структурной стабильностью», - прокомментировал открытие Николас Котов (Nicholas Kotov), профессор машиностроения университета Мичигана и руководитель исследовательской группы. - «Понимание устройства хряща - это понимание того, как живые формы могут сочетать свойства, которые иногда просто немыслимы вместе».
Качественная замена хряща может помочь многим людям с травмами суставов. Только в США проживает 850 000 пациентов, которым была проведена операция по удалению или замене коленного хряща.
В настоящее время ряд других разновидностей синтетического хряща уже проходит клинические испытания, но эти материалы попадают в две группы, в силу неспособности одновременно достичь комбинации двух основных атрибутов хряща – прочности и высокого содержания воды.
По словам Котова, другие синтетические материалы, которые имитируют физические свойства хряща, не содержат достаточного количества воды для транспортировки питательных веществ, необходимых для питания живых клеток.
В то же время гидрогели, которые включают воду в сеть длинных гибких молекул, могут нести в своей структуре достаточное количество воды для поддержания роста клеток хондроцитов, которые восстанавливают естественный хрящ. Однако эти гидрогели не особенно прочны. Они разрываются уже при малой части той нагрузки, которую может выдержать природный хрящ.
Новый гидрогель, созданный на базе кевлара, воссоздает «волшебные» свойства хряща путем объединения сети прочных арамидных нановолокон, самый известный тип которых – кевлар – используется как основа пуленепробиваемых жилетов, с гидрогелем, широко используемым для замены хрящей, называемым поливиниловым спиртом.
В естественном хряще сеть белков и других биомолекул противостоит потоку воды в пустотах. Давление воды реконфигурирует структуру хряща, позволяя ей деформироваться без разрушения. В этом процессе выделяется вода, и впоследствии структура восстанавливается, поглощая воду.
Этот механизм позволяет сильнонагруженным суставам, например, коленям, противостоять значительным нагрузкам. Бег многократно перетирает хрящ между костями, вытесняя воду и делая хрящ в результате более гибким. Затем, когда бегун отдыхает, хрящ поглощает воду, так что он снова начинает обеспечивать лучшее сопротивление сжатию.
Новый тип синтетического хряща может похвастаться тем же самым механизмом, высвобождая воду под воздействием механического напряжения, а затем восстанавливаясь, поглощая воду, как губка. Арамидные нановолокна составляют каркас материала, в то время как молекулы поливинилового спирта захватывают воду внутрь структуры, когда материал подвергается растяжению или сжатию. Даже модификации материала, которая содержала 92% воды, была сопоставима по прочности с хрящом, а модификация с 70% достигла устойчивости резины.
Поскольку арамидные нановолокна и поливиниловый спирт не вредят соседним клеткам, проф. Котов предполагает, что этот синтетический хрящ в некоторых ситуациях может быть подходящим имплантатом, в частности, для более глубоких частей коленного сустава. Он также считает нужным поставить вопрос, смогут ли хондроциты поселиться в синтетической сети для производства гибридного хряща.
Но спектр потенциальных применений разработанного материала даже в медицине не ограничивается имплантами хрящей. Профессор Котов полагает, что композитные материалы с различной долей арамидных нановолокон, гидрогеля и воды могут заменять другие мягкие ткани.
По словам Николаса Котова: «В нашем организме есть много мембран, которые обладают одинаковыми свойствами, и мне еще нужно оценить весть спектр». Мы обсудим с врачами, где нужда в новых материалах стоит наиболее остро, и где это сочетание свойств позволит нам добиться наилучшего прогресса и самого большого эффекта».
Профессор Котов является членом Института биоинтерфейсов (Biointerfaces Institute), который предоставляет общей площадкой для исследователей из инженерных и медицинских групп университета Мичигана. Он также является профессором химических технологий, материаловедения и макромолекулярной науки и техники.
Источник:: Lizhi Xu, Xueli Zhao, Chuanlai Xu, Nicholas A. Kotov. Water-Rich Biomimetic Composites with Abiotic Self-Organizing Nanofiber Network. Advanced Materials, 2017; 1703343 DOI: 10.1002/adma.201703343