De dunne, gladde laag kraakbeen tussen de botten in de knie is magisch spul:sterk genoeg om het gewicht van een persoon te weerstaan, maar zacht en soepel genoeg om het gewricht te dempen tegen schokken, gedurende tientallen jaren van herhaald gebruik. Die combinatie van zacht en toch sterk was moeilijk te reproduceren in het laboratorium. Maar nu, Onderzoekers van Duke University zeggen dat ze een experimentele gel hebben gemaakt die als eerste de sterkte en duurzaamheid van het echte werk evenaart.

Het materiaal ziet er misschien uit als een verre neef van Jell-O - wat het ook is - maar het is ongelooflijk sterk. Het is 60% water, maar een enkele schijf van kwartformaat kan het gewicht van een kettlebell van 100 pond dragen zonder te scheuren of zijn vorm te verliezen.

De ontwikkelaars zeggen dat het de eerste hydrogel is - een materiaal gemaakt van waterabsorberende polymeren - dat bestand is tegen trekken en zware belastingen, evenals menselijk kraakbeen. zonder na verloop van tijd te verslijten.

Onder leiding van Duke chemie- en materiaalwetenschappers Ben Wiley en Ken Gall, het onderzoek zou ooit mensen met knieproblemen een vervanging kunnen bieden voor beschadigd kraakbeen, en een alternatief voor de 600, 000 knievervangende operaties die elk jaar in de VS worden uitgevoerd.

Een glad rubberachtig weefsel dat de uiteinden van botten bedekt en ervoor zorgt dat ze soepel over elkaar glijden, kraakbeen helpt bij elke stap een enorme hoeveelheid kracht te absorberen, meestal tussen twee en drie keer je lichaamsgewicht.

Echter, kraakbeen heeft ook een beperkt vermogen om zichzelf te genezen en te herstellen. Eenmaal gedragen op leeftijd, overmatig gebruik of trauma is moeilijk te behandelen, zei Gall, een professor in werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke.

Voor patiënten die een knievervanging die slechts 20 jaar kan duren, willen vermijden of uitstellen, kunstkraakbeen kan helpen. Hydrogels zijn sinds de jaren 70 onderzocht voor gebruik als kraakbeensubstituut en worden gebruikt in zachte contactlenzen en wegwerpluiers. Onderzoekers voelen zich aangetrokken tot deze materialen vanwege hun gladde, schokabsorberende eigenschappen en omdat ze nabijgelegen cellen niet beschadigen. Maar tot nu toe zijn ze te zwak gebleken om te worden gebruikt in dragende gewrichten zoals de knie.

Het Duke-team wilde daar verandering in brengen. "We wilden de eerste hydrogel maken met de mechanische eigenschappen van kraakbeen, " zei Willy, een scheikundeprofessor aan Duke.

De nieuwe hydrogel bestaat uit twee met elkaar verweven polymeernetwerken:een gemaakt van rekbare spaghetti-achtige strengen en de andere stijver en mandachtig, met negatieve ladingen over hun lengte. Deze zijn versterkt met een derde ingrediënt, een netwerk van cellulosevezels.

Wanneer de gel wordt uitgerekt, de cellulosevezels zijn bestand tegen trekken en helpen het materiaal bij elkaar te houden. En als het wordt geperst, de negatieve ladingen langs de stijve polymeerketens stoten elkaar af en kleven aan water, helpen het terug te veren naar zijn oorspronkelijke vorm.

"Alleen deze combinatie van alle drie de componenten is zowel flexibel als stijf en daarom sterk, " zei co-auteur Feichen Yang, die een scheikunde Ph.D. in het laboratorium van Wiley.

Toen de onderzoekers het resulterende materiaal vergeleken met andere hydrogels, die van hen was de enige die zo sterk was als kraakbeen bij zowel knijpen als strekken.

In een experiment, het team onderwierp het aan 100, 000 cycli van herhaald trekken, en het materiaal hield net zo goed stand als poreus titanium dat wordt gebruikt voor botimplantaten, "die onze aanvankelijke verwachtingen overtrof, " zei co-auteur William Koshut, een doctoraat student in het Gall-lab.

Ze wreven het nieuwe materiaal ook een miljoen keer tegen natuurlijk kraakbeen. Ze vonden dat het glad, het gladde zelfsmerende oppervlak is net zo slijtvast als het echte werk en vier keer slijtvaster dan synthetische kraakbeenimplantaten die momenteel door de FDA zijn goedgekeurd voor gebruik in de grote teen.

Het verplaatsen van het materiaal van het lab naar de kliniek zou nog minstens drie jaar duren, zei Wiley. Eerste veiligheidstests suggereren dat het materiaal niet-toxisch is voor in het laboratorium gekweekte cellen. De volgende stap is het ontwerpen van een implantaat dat ze bij schapen kunnen testen.

Maar het team zegt dat het onderzoek uiteindelijk nieuwe opties kan bieden voor mensen met kniepijn, en hen weer de dingen te laten doen waar ze van houden zonder de lange hersteltijden en beperkte levensduur die gepaard gaan met kraakbeenherstel of knievervangende operaties.