Primeiro gel que imita a cartilagem e é forte o suficiente para os joelhos
A cartilagem fornece uma combinação de almofadas ainda fortes que os hidrogéis não conseguiram igualar, até agora
A fina e escorregadia camada de cartilagem entre os ossos do joelho é uma coisa mágica: forte o suficiente para suportar o peso de uma pessoa, mas suave e flexível o suficiente para amortecer a articulação contra impactos, durante décadas de uso repetido. Essa combinação de macio e forte tem sido difícil de reproduzir em laboratório. Mas agora, os pesquisadores da Duke University dizem que criaram um gel experimental que é o primeiro a combinar a força e a durabilidade da coisa real.
O material pode parecer um primo distante da gelatina - o que é -, mas é incrivelmente forte. É 60% de água, mas um único disco de um quarto de tamanho pode suportar o peso de um kettlebell de 100 libras sem rasgar ou perder sua forma.
Seus desenvolvedores dizem que é o primeiro hidrogel - materiais feitos de polímeros absorventes de água - capazes de suportar puxões e cargas pesadas, além da cartilagem humana, sem se desgastar com o tempo.
Liderada pelos cientistas de química e materiais da Duke, Ben Wiley e Ken Gall, a pesquisa poderia um dia oferecer às pessoas com problemas no joelho um substituto para a cartilagem danificada e uma alternativa às 600.000 cirurgias de substituição do joelho realizadas nos EUA a cada ano.
Um tecido macio de borracha que cobre as extremidades dos ossos e permite que eles deslizem suavemente um contra o outro, a cartilagem ajuda a absorver uma enorme quantidade de força a cada passo - normalmente entre duas e três vezes o seu peso corporal.
No entanto, a cartilagem também tem capacidade limitada de curar e se reparar. Uma vez desgastado pela idade, uso excessivo ou trauma, é difícil tratar, disse Gall, professor de engenharia mecânica e ciência de materiais da Duke.
Para pacientes que desejam evitar ou adiar uma substituição do joelho que pode durar apenas 20 anos, a cartilagem artificial pode ajudar. Os hidrogéis têm sido explorados para uso como substituto da cartilagem desde a década de 1970 e são usados em lentes de contato gelatinosas e fraldas descartáveis. Os pesquisadores são atraídos por esses materiais por causa de suas propriedades escorregadias e absorventes de choque e porque não danificam as células próximas. Mas até agora eles se mostraram fracos demais para serem usados em articulações de carga como o joelho.
A equipe da Duke decidiu mudar isso. "Nos propusemos a produzir o primeiro hidrogel com propriedades mecânicas da cartilagem", disse Wiley, professor de química da Duke.
O novo hidrogel consiste em duas redes poliméricas entrelaçadas: uma feita de fios elásticos tipo espaguete e a outra mais rígida e parecida com uma cesta, com cargas negativas ao longo de seu comprimento. Estes são reforçados com um terceiro ingrediente, uma malha de fibras de celulose.
Quando o gel é esticado, as fibras de celulose resistem à tração e ajudam a manter o material unido. E quando é espremido, as cargas negativas ao longo das cadeias rígidas de polímero se repelem e grudam na água, ajudando-a a retornar à sua forma original.
"Somente essa combinação dos três componentes é flexível e rígida e, portanto, forte", disse o co-autor Feichen Yang, que obteve um PhD em química no laboratório de Wiley.
Quando os pesquisadores compararam o material resultante a outros hidrogéis, o deles era o único que era tão forte quanto a cartilagem sob esmagamento e alongamento.
Em um experimento, a equipe o submeteu a 100.000 ciclos de tração repetida, e o material continha apenas titânio poroso usado para implantes ósseos "que excederam nossas expectativas iniciais", disse o co-autor William Koshut, estudante de doutorado em o laboratório Gall.
Eles também esfregaram o novo material contra a cartilagem natural um milhão de vezes. Eles descobriram que sua superfície lisa e escorregadia de autolubrificação é tão resistente ao desgaste quanto a coisa real e quatro vezes mais resistente ao desgaste do que os implantes de cartilagem sintética atualmente aprovados pela FDA para uso no dedão do pé.
Mover o material do laboratório para a clínica levaria mais três anos, pelo menos, disse Wiley. Testes de segurança iniciais sugerem que o material não é tóxico para células cultivadas em laboratório. O próximo passo é projetar um implante que eles possam testar em ovelhas.
Mas a equipe diz que, eventualmente, a pesquisa pode oferecer novas opções para pessoas com dor no joelho e levá-las a fazer o que amam sem os longos tempos de recuperação e a vida útil limitada associada ao reparo de cartilagem ou cirurgia de substituição do joelho.
Este trabalho foi financiado pela Sparta Biomedical, Paul M. Gross Fellowship, Marcus Hobbes Fellowship e o Shared Materials Instrumentation Facility da Duke.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Duke University . Original escrito por Robin A. Smith. Nota: O conteúdo pode ser editado por estilo e duração.
Referência da revista :
- Feichen Yang, Jiacheng Zhao, William J. Koshut, John Watt, Jonathan C. Riboh, Ken Gall, Benjamin J. Wiley. Um composto de hidrogel sintético com comportamento mecânico e durabilidade da cartilagem . Materiais Funcionais Avançados , 2020; 2003451 DOI: 10.1002 / adfm.202003451
Citar esta página :
Universidade Duke. "Do laboratório, o primeiro gel que imita a cartilagem é forte o suficiente para os joelhos: a cartilagem fornece uma combinação de almofadado e forte que os hidrogéis não conseguiram igualar até agora". ScienceDaily. ScienceDaily, 26 de junho de 2020.