Vrij verkrijgbare pijnstillers, fysiotherapie, steroïde-injecties - sommige mensen hebben het allemaal geprobeerd en hebben nog steeds te maken met kniepijn.

Vaak wordt kniepijn veroorzaakt door de progressieve slijtage van kraakbeen die bekend staat als artrose en die wereldwijd bijna één op de zes volwassenen – 867 miljoen mensen – treft. Voor degenen die willen voorkomen dat het hele kniegewricht wordt vervangen, is er binnenkort misschien een andere optie die patiënten kan helpen snel en pijnvrij weer op de been te komen en dat ook te blijven.

Schrijven in het tijdschrift Advanced Functional Materials , zegt een door Duke University geleid team dat ze de eerste op gel gebaseerde kraakbeenvervanger hebben gemaakt die nog sterker en duurzamer is dan het echte werk.

Mechanische tests laten zien dat de hydrogel van het Duke-team, een materiaal gemaakt van waterabsorberende polymeren, met meer kracht kan worden ingedrukt en getrokken dan natuurlijk kraakbeen en drie keer beter bestand is tegen slijtage.

Implantaten gemaakt van het materiaal worden momenteel ontwikkeld door Sparta Biomedical en getest bij schapen. Onderzoekers maken zich op om volgend jaar klinische proeven bij mensen te starten.

"Als alles volgens plan verloopt, zou de klinische proef al in april 2023 van start moeten gaan", zegt chemieprofessor Benjamin Wiley van Duke, die samen met Duke, professor werktuigbouwkunde en materiaalwetenschappen, Ken Gall, het onderzoek leidde.

Om dit materiaal te maken, nam het Duke-team dunne vellen cellulosevezels en doordrenkte ze met een polymeer genaamd polyvinylalcohol - een stroperige goo bestaande uit draderige ketens van herhalende moleculen - om een ​​gel te vormen.

De cellulosevezels werken als de collageenvezels in natuurlijk kraakbeen, zei Wiley - ze geven de gelsterkte wanneer ze worden uitgerekt. De polyvinylalcohol helpt het terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm. Het resultaat is een Jello-achtig materiaal, 60% water, dat soepel en toch verrassend sterk is.

Natuurlijk kraakbeen is bestand tegen maar liefst 5.800 tot 8.500 pond per inch trekken en knijpen, voordat het zijn breekpunt bereikt. Hun in het laboratorium gemaakte versie is de eerste hydrogel die nog meer aankan. Het is 26% sterker dan natuurlijk kraakbeen in spanning, zoiets als het ophangen van zeven vleugels aan een sleutelhanger, en 66% sterker in compressie - wat zou zijn als het parkeren van een auto op een postzegel.

"Het is echt buiten de hitlijsten in termen van hydrogelsterkte," zei Wiley.

Het team heeft al hydrogels gemaakt met opmerkelijke eigenschappen. In 2020 meldden ze dat ze de eerste hydrogel hadden gemaakt die sterk genoeg was voor knieën, die bij elke stap de kracht van twee tot drie keer het lichaamsgewicht voelen.

Het praktisch gebruik van de gel als kraakbeenvervanging bracht echter extra ontwerpuitdagingen met zich mee. Een daarvan was het bereiken van de bovengrenzen van de kracht van kraakbeen. Activiteiten zoals hoppen, uitvallen of traplopen oefenen zo'n 10 Megapascal druk uit op het kraakbeen in de knie, of ongeveer 1.400 pond per vierkante inch. Maar het kan tot vier keer zo lang duren voordat het weefsel breekt.

"We wisten dat er ruimte was voor verbetering", zei Wiley.

In het verleden gebruikten onderzoekers die sterkere hydrogels probeerden te maken een vries-dooiproces om kristallen in de gel te produceren, die water verdrijven en helpen de polymeerketens bij elkaar te houden. In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers in plaats van de hydrogel te bevriezen en te ontdooien, een warmtebehandeling die gloeien wordt genoemd om nog meer kristallen te laten ontstaan ​​in het polymeernetwerk.

Door het kristalgehalte te verhogen, konden de onderzoekers een gel produceren die vijf keer zoveel stress door trekken en bijna twee keer zoveel knijpen kan weerstaan ​​in vergelijking met vries-dooi-methoden.

De verbeterde sterkte van de gegloeide gel hielp ook bij het oplossen van een tweede ontwerpuitdaging:het aan de verbinding bevestigen en ervoor zorgen dat het blijft zitten.

Kraakbeen vormt een dunne laag die de uiteinden van botten bedekt, zodat ze niet tegen elkaar schuren. Eerdere studies waren niet in staat om hydrogels rechtstreeks aan bot of kraakbeen te bevestigen met voldoende sterkte om te voorkomen dat ze losraken of wegglijden. Dus kwam het Duke-team met een andere aanpak.

Hun bevestigingsmethode omvat het cementeren en vastklemmen van de hydrogel op een titaniumbasis. Dit wordt vervolgens geperst en verankerd in een gat waar vroeger het beschadigde kraakbeen zat. Tests tonen aan dat het ontwerp 68% steviger blijft zitten dan natuurlijk kraakbeen op bot.

"Een andere zorg voor knie-implantaten is slijtage in de loop van de tijd, zowel van het implantaat zelf als het tegenoverliggende kraakbeen," zei Wiley.

Andere onderzoekers hebben geprobeerd beschadigd kraakbeen te vervangen door knie-implantaten van metaal of polyethyleen, maar omdat deze materialen stijver zijn dan kraakbeen, kunnen ze tegen andere delen van de knie schuren.

In slijtagetesten namen de onderzoekers kunstkraakbeen en natuurlijk kraakbeen en draaiden ze een miljoen keer tegen elkaar, met een druk vergelijkbaar met wat de knie ervaart tijdens het lopen. Met behulp van een röntgenscantechniek met hoge resolutie genaamd microcomputertomografie (micro-CT), ontdekten de wetenschappers dat het oppervlak van hun in het laboratorium gemaakte versie drie keer beter standhield dan het echte werk. Maar omdat de hydrogel de gladde, gladde, kussenachtige aard van echt kraakbeen nabootst, beschermt het andere gewrichtsoppervlakken tegen wrijving als ze tegen het implantaat schuiven.

Natuurlijk kraakbeen is opmerkelijk duurzaam spul. Maar eenmaal beschadigd, heeft het een beperkt vermogen om te genezen omdat het geen bloedvaten heeft, zei Wiley.

In de Verenigde Staten komt artrose tegenwoordig twee keer zo vaak voor als een eeuw geleden. Chirurgie is een optie wanneer conservatieve behandelingen falen. In de afgelopen decennia hebben chirurgen een aantal minimaal invasieve benaderingen ontwikkeld, zoals het verwijderen van los kraakbeen, het maken van gaten om nieuwe groei te stimuleren of het transplanteren van gezond kraakbeen van een donor. Maar al deze methoden vereisen maandenlange revalidatie, en een percentage van hen faalt na verloop van tijd.

Over het algemeen beschouwd als een laatste redmiddel, is totale knievervanging een bewezen manier om pijn te verlichten. Maar kunstmatige gewrichten gaan ook niet eeuwig mee. Vooral voor jongere patiënten die een grote operatie willen vermijden voor een apparaat dat later alleen maar opnieuw moet worden vervangen, zei Wiley:"Er zijn gewoon niet erg goede opties."

"Ik denk dat dit een dramatische verandering in de behandeling van mensen in dit stadium zal zijn," zei Wiley. + Verder verkennen

Uit het laboratorium, de eerste kraakbeen-nabootsende gel die sterk genoeg is voor knieën