De ongeëvenaarde vloeibare sterkte van kraakbeen, dat is ongeveer 80 procent water, is bestand tegen enkele van de zwaarste krachten op ons lichaam.

Synthetische materialen konden het niet evenaren - totdat "Kevlartilage" werd ontwikkeld door onderzoekers van de University of Michigan en Jiangnan University.

"We weten dat we grotendeels uit water bestaan ​​- al het leven bestaat - en toch heeft ons lichaam veel structurele stabiliteit, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka Professor of Engineering aan de UM, die de studie leidde. "Kraakbeen begrijpen is begrijpen hoe levensvormen eigenschappen kunnen combineren die soms samen ondenkbaar zijn."

Veel mensen met gewrichtsblessures zouden baat hebben bij een goede vervanging van kraakbeen, zoals de 850, 000 patiënten in de VS die operaties ondergaan waarbij kraakbeen in de knie wordt verwijderd of vervangen.

Terwijl andere soorten synthetisch kraakbeen al klinische proeven ondergaan, deze materialen vallen in twee kampen die kiezen tussen kraakbeenattributen, niet in staat om die onwaarschijnlijke combinatie van sterkte en watergehalte te bereiken.

De andere synthetische materialen die de fysieke eigenschappen van kraakbeen nabootsen, bevatten niet genoeg water om de voedingsstoffen te transporteren die cellen nodig hebben om te gedijen, zei Kotov.

In de tussentijd, hydrogels - die water opnemen in een netwerk van lange, flexibele moleculen - kunnen worden ontworpen met voldoende water om de groei van de chondrocytencellen die het natuurlijke kraakbeen vormen, te ondersteunen. Toch zijn die hydrogels niet bijzonder sterk. Ze scheuren onder spanning een fractie van wat kraakbeen aankan.

De nieuwe op Kevlar gebaseerde hydrogel bootst de magie van kraakbeen na door een netwerk van taaie nanovezels van Kevlar - de 'aramidevezels' die het best bekend staan ​​voor het maken van kogelvrije vesten - te combineren met een materiaal dat vaak wordt gebruikt in hydrogel-kraakbeenvervangingen. genaamd polyvinylalcohol, of PVA.

In natuurlijk kraakbeen, het netwerk van eiwitten en andere biomoleculen krijgt zijn kracht door weerstand te bieden aan de stroming van water tussen de kamers. De druk van het water herconfigureert het netwerk, waardoor het kan vervormen zonder te breken. Daarbij komt water vrij, en het netwerk herstelt zich door later water op te nemen.

Dit mechanisme maakt verbindingen met hoge impact mogelijk, zoals knieën, om op te staan ​​tegen straffende krachten. Herhaaldelijk rennen beukt het kraakbeen tussen de botten, waardoor water naar buiten wordt geperst en het kraakbeen daardoor soepeler wordt. Vervolgens, als de loper rust, het kraakbeen neemt water op zodat het weer een sterke weerstand biedt tegen samendrukken.

Het synthetische kraakbeen heeft hetzelfde mechanisme, water vrijgeven onder stress en later herstellen door water op te nemen als een spons. De aramide nanovezels vormen het raamwerk van het materiaal, terwijl de PVA water in het netwerk vasthoudt wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan rek of compressie. Zelfs versies van het materiaal die voor 92 procent uit water bestonden, waren qua sterkte vergelijkbaar met kraakbeen, met de 70 procent versie die de veerkracht van rubber bereikt.

Omdat de aramide-nanovezels en PVA aangrenzende cellen niet beschadigen, Kotov verwacht dat dit synthetische kraakbeen voor sommige situaties een geschikt implantaat kan zijn, zoals de diepere delen van de knie. Hij vraagt ​​zich ook af of chondrocyten zich in het synthetische netwerk kunnen nestelen om hybride kraakbeen te produceren.

Maar zijn potentiële toepassingen zijn niet beperkt tot kraakbeen. Hij vermoedt dat soortgelijke netwerken, met verschillende verhoudingen van aramide nanovezels, PVA en water, kan in de plaats komen van andere zachte weefsels.

"We hebben veel membranen in het lichaam die dezelfde eigenschappen nodig hebben. Ik zou de ruimte willen evalueren, " zei Kotov. "Ik zal met artsen praten over waar de acute behoefte is en waar deze kruising van de eigendommen ons in staat zal stellen de beste vooruitgang te boeken en de grootste impact te hebben."

Kotov is lid van het Biointerfaces Institute, die gedeelde ruimte biedt voor onderzoekers van UM's technische en medische scholen. Hij is ook een professor in de chemische technologie, materiaalkunde en techniek, en macromoleculaire wetenschap en techniek.

De studie, onlangs gepubliceerd in Geavanceerde materialen , is getiteld "Waterrijke biomimetische composieten met abiotisch zelforganiserend nanovezelnetwerk." Het werd ondersteund door de National Science Foundation, met aanvullende financiering van het ministerie van Defensie. De universiteit zoekt octrooibescherming en partners om de technologie op de markt te brengen.