Ученые создали новый способ создания искусственного хряща использует 3D-сплетенные волокна
Новый способ создания искусственного хряща использует 3D-сплетенные волокна и гидрогель, чтобы имитировать силу и эластичность реального материала.
Искусственный хрящ – это ткань на концах костей, где они встречаются в суставах организма (в т.ч. в коленях, плечах и бедрах). Он может разрушаться с течением времени или быть поврежден, например травмой, вызывая боль и отсутствие подвижности.
При замене ткани, которая может принести облегчение миллионам, воспроизведение свойств природного хряща (крепкого и удерживающего опору, но гладкого и мягкого, как подушка) оказалось проблемой.
В 2007 профессор ортопедической хирургии и биомедицинской инженерии в Университете Дьюка Farshid Guilak и его команда разработали 3D-ткань «scaffold», в которую можно ввести стволовые клетки и успешно «вырастить» в искусственной хрящевой ткани. Построенный из крохотных тканых волокон, каждый из 7 слоев scaffold имеет толщину приблизительно с человеческий волос. Готовое изделие имеет толщину около 1 мм.
Проблема была в том, чтобы разработать правильную среду для заполнения пустых мест в scaffold — ту, которая может выдержать сжимающие нагрузки, обеспечить смазывание поверхности, и, возможно, поддержать рост стволовых клеток в scaffold. Кроме того уход за волосами и их правильный рост очень важен. Поэтому для волос можно применить ту же технологию укрепления.
Материалы, достаточно гибкие для имитации природного хряща, были слишком мягкими и хрупкими для роста в суставе и выдерживания нагрузки. » Подумайте о геле Jell-O», — говорит Guilak. Более прочные вещества, с другой стороны, не были гладкими и достаточно гибкими.
Xuanhe Zhao, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, предложил теорию для проектирования прочных гидрогелей (полимерных гелей на водной основе) , а в 2012 сотрудничал с командой ученых из Гарвардского Университета для разработки исключительно прочной, но гибкой, взаимопроникающей сетки гидрогеля.
«Он чрезвычайно крепкий, гибкий и формуемый, но очень хорошо смазывающийся», — говорит Zhao. » В нем есть все механические свойства природного хряща, и может выдерживать износ без разрушения».
Zhao и Guilak начали работать вместе, чтобы интегрировать гидрогель в ткань из 3D-тканых scaffolds.
В своих экспериментах исследователи сравнили ранее изученные гидрогели с полученным композиционным материалом (разные комбинации встроенных scaffolds от Guilak).
Испытания показали, что изобретение Zhao было прочнее, чем у конкурентов с более низким коэффициентом трения. И хотя полученный материал не совсем соответствует стандартам природного хряща, он легко обогнал все другие известные искусственные заменители по всем направлениям. Исследование представлено в журнале «Advanced Functional Materials».
» С технической точки зрения, эта технология «вылечивает» ткани, которые другие типы синтетического хряща имели», — говорит Zhao, основатель лаборатории «Duke’s Soft Active Materials (SAMs) Laboratory». «Это очень перспективный «кандидат» для создания искусственного хряща в будущем».
Следующим шагом команды ученых, вероятно, будет имплантирование небольших лоскутков синтетического хряща в модели животных, в соответствии с теорией Guilak и Zhao.
