Mamy przełom. To sztuczne kolano jest bardziej wytrzymałe od naturalnej chrząstki
Lekarze z wielu dziedzin zgodnie przyznają, że nie ma doskonalszej tkanki niż ta, z którą się rodzimy, a wszelkiego rodzaju implanty powinny być ostatecznością. Podobnie jest w ortopedii, z jednym małym wyjątkiem: nowo opracowanym implantem, który jest wytrzymalszy niż jakikolwiek inny substytut i wytrzymalszy niż naturalna chrząstka.
Niejednokrotnie ból kolana jest wynikiem postępującego zużycia chrząstki stawowej, znanego jako choroba zwyrodnieniowa stawów. Schorzenie to dotyka prawie jedną na sześć dorosłych osób. Szacuje się, że w Polsce cierpi na nią około dwóch milionów osób. Ostateczną metodą leczenia choroby jest wymiana stawu kolanowego, jednak jak zapowiadają amerykańscy naukowcy, wkrótce możemy spodziewać się alternatywy.
Zespół badaczy z Duke University opublikował w czasopiśmie Advanced Functional Materials projekt substytutu chrząstki na bazie żelu, który wykazuje większą wytrzymałość niż naturalna ludzka chrząstka. Hydrożel opracowany przez badaczy może być ściskany i ciągnięty z większą siłą niż naturalna chrząstka, a ponadto jest trzykrotnie bardziej odporny na zużycie.
Obecnie implanty testowane są na owcach, a naukowcy przygotowują się do rozpoczęcia testów klinicznych na ludziach w kwietniu 2023 roku.
Implant wytrzymalszy od stawu kolanowego
Do stworzenia substytutu chrząstki, zespół naukowców wykorzystał cienkie arkusze włókiem celulozowych nasączone alkoholem poliwinylowym. Alkohol poliwynylowy to polimer, a jednocześnie tzw. ciecz nienewtonowska, która składa się z nitkowych łańcuchów powtarzających się cząsteczek. Właściwości obu substancji pozwoliły badaczom uzyskać niezwykle wytrzymały żel.
Włókna celulozowe działają jak włókna kolagenowe w naturalnej chrząstce, podtrzymując ich strukturę - podobnie jak stalowe pręty podtrzymują zbrojony beton. Z kolei alkohol poliwinylowy pozwala stawowi wrócić do pierwotnego kształtu. W rezultacie żel otrzymany przez naukowców ma strukturę galaretki, składa się w 60 procentach z wody, jest elastyczny, a jednocześnie zaskakująco wytrzymały.
Wytrzymałość w praktyce
Jak deklarują badacze, tak wykonany substytut chrząstki jest o 26 procent bardziej odporny na rozciąganie niż naturalna chrząstka, co według nich przypomina zawieszenie siedmiu fortepianów na breloczku. Ponadto substytut jest o 66 proc. odporniejszy na ściskanie, co z kolei odpowiada zaparkowaniu samochodu na znaczku pocztowym.
Zastosowanie żelu w praktyce jako zamiennika chrząstki stawiało jednak dodatkowe wyzwania projektowe. Jednym z nich było osiągnięcie górnej granicy wytrzymałości chrząstki. Czynności takie jak skakanie, bieganie czy wchodzenie po schodach wywierają na chrząstkę kolana nacisk rzędu 10 megapaskali, czyli około 100 kilogramów na centymetr kwadratowy. Tkanka może jednak wytrzymać do czterech razy więcej, zanim ulegnie uszkodzeniu.
Już wcześniej badacze próbujący stworzyć mocniejsze hydrożele stosowali proces zamrażania i rozmrażania, aby wytworzyć kryształy wewnątrz żelu, które wypychają wodę i pomagają utrzymać łańcuchy polimerowe razem. W próbie podjętej przez amerykańskich naukowców, zamiast zamrażać i rozmrażać hydrożel, badacze zastosowali obróbkę cieplną zwaną wyżarzaniem, aby zmusić jeszcze więcej kryształów do utworzenia się w sieci polimerowej.
Zwiększając zawartość kryształów, naukowcy byli w stanie wyprodukować żel, który może wytrzymać pięć razy większe naprężenia związane z ciągnięciem i prawie dwa razy większe ściskanie w porównaniu z substancjami uzyskanymi metodami zamrażania i rozmrażania.
Przełom w ortopedii?
Naturalna chrząstka jest niezwykle wytrzymała. Jednak po uszkodzeniu ma ograniczoną zdolność do gojenia się, ponieważ nie posiada żadnych naczyń krwionośnych.
Szacuje się, że współcześnie choroba zwyrodnieniowa stawów występuje dziś dwa razy częściej niż sto lat temu. Interwencja chirurgiczna jest opcją, gdy leczenie zachowawcze zawodzi. Przez dziesięciolecia chirurdzy opracowali szereg minimalnie inwazyjnych metod, takich jak usuwanie luźnej chrząstki, wykonywanie otworów w celu stymulowania nowego wzrostu lub przeszczepianie zdrowej chrząstki od dawcy. Jednak wszystkie te metody wymagają miesięcy rehabilitacji, a pewien odsetek z nich z czasem zawodzi.
W większości przypadków, uważana za ostateczność, całkowita wymiana stawu kolanowego jest sprawdzonym sposobem na złagodzenie bólu. Jednak sztuczne stawy również nie są niezniszczalne. Wymiana stawu kolanowego jest całkowitą ostatecznością w przypadku młodszych pacjentów. Bowiem staw wymieniony w młodym wieku będzie musiał być ponownie wymieniony w przyszłości, w przeciwieństwie do pacjentów w podeszłym wieku, którzy żyją ze sztucznym stawem aż do śmierci.
