Ang isang bagong lab-made na knee cartilage ay 26% na mas malakas kaysa sa natural na cartilage sa pag-igting, tulad ng pagsususpinde ng pitong grand piano mula sa isang key ring, at 66% na mas malakas sa compression—na magiging parang pagparada ng kotse sa isang selyo. (Credit: Daniel Thiele/Unsplash)
Ang isang bagong kapalit na kartilago ng tuhod na nakabatay sa gel ay mas malakas at mas matibay kaysa sa tunay na bagay, ayon sa isang bagong pag-aaral.
Mga over-the-counter na pain reliever, physical therapy, steroid injection—nasubukan na ng ilang tao ang lahat ng ito at nakikitungo pa rin sa pananakit ng tuhod.
Kadalasan ang pananakit ng tuhod ay nagmumula sa progresibong pagkasira ng kartilago kilala bilang osteoarthritis, na nakakaapekto sa halos isa sa anim na matatanda—867 milyong tao—sa buong mundo. Para sa mga gustong iwasang palitan ang buong kasukasuan ng tuhod, matutulungan ng bagong kartilago ang mga pasyente na makabangon nang mabilis, walang sakit, at manatili sa ganoong paraan.
Tulad ng iniulat sa journal Mga advanced na Kagamitan sa Paggana, ipinapakita ng mekanikal na pagsubok na ang hydrogel—isang materyal na gawa sa mga polymer na sumisipsip ng tubig—ay maaaring pinindot at hilahin nang mas malakas kaysa natural na kartilago, at tatlong beses na mas lumalaban sa pagkasira.
Ang mga implant na gawa sa materyal ay kasalukuyang ginagawa ng Sparta Biomedical at sinusuri sa mga tupa. Ang mga mananaliksik ay naghahanda upang simulan ang mga klinikal na pagsubok sa mga tao sa susunod na taon.
"Kung ang lahat ay naaayon sa plano, ang klinikal na pagsubok ay dapat magsimula sa lalong madaling Abril 2023," sabi ni Benjamin Wiley, isang propesor sa kimika sa Duke University na nanguna sa pananaliksik kasama si Ken Gall, isang propesor ng mechanical engineering at mga materyales sa agham.
Natural na kartilago ng tuhod
Upang gawin ang materyal na ito, ang koponan ay kumuha ng manipis na mga sheet ng cellulose fibers at nilagyan ang mga ito ng isang polymer na tinatawag na polyvinyl alcohol-isang malapot na goo na binubuo ng mga stringy chain ng paulit-ulit na mga molecule-upang bumuo ng isang gel.
Ang mga hibla ng selulusa ay kumikilos tulad ng mga hibla ng collagen sa natural na kartilago, sabi ni Wiley-binibigyan nila ang lakas ng gel kapag nakaunat. Tinutulungan ito ng polyvinyl alcohol na bumalik sa orihinal nitong hugis. Ang resulta ay isang materyal na parang Jello, 60% na tubig, na malambot ngunit nakakagulat na malakas.
Ang natural na cartilage ay maaaring makatiis ng napakalaki na 5,800 hanggang 8,500 pounds bawat pulgada ng paghila at pagpisil, ayon sa pagkakabanggit, bago maabot ang breaking point nito. Ang lab-made na bersyon ay ang unang hydrogel na kayang humawak ng higit pa. Ito ay 26% na mas malakas kaysa sa natural na cartilage sa pag-igting, tulad ng pagsususpinde ng pitong grand piano mula sa isang key ring, at 66% na mas malakas sa compression—na magiging parang pagparada ng kotse sa isang selyo.
"Ito ay talagang wala sa mga tsart sa mga tuntunin ng lakas ng hydrogel," sabi ni Wiley.
Ang koponan ay nakagawa na ng mga hydrogel na may mga kahanga-hangang katangian. Noong 2020, iniulat nila na nilikha nila ang unang hydrogel sapat na malakas para sa mga tuhod, na nararamdaman ang puwersa ng dalawa hanggang tatlong beses na bigat ng katawan sa bawat hakbang.
Ang paglalagay ng gel sa praktikal na paggamit bilang kapalit ng kartilago, gayunpaman, ay nagpakita ng karagdagang mga hamon sa disenyo. Ang isa ay ang pagkamit ng pinakamataas na limitasyon ng lakas ng kartilago. Ang mga aktibidad tulad ng hopping, lunging, o pag-akyat ng hagdan ay naglalagay ng ilang 10 Megapascals ng presyon sa kartilago sa tuhod, o humigit-kumulang 1,400 pounds bawat square inch. Ngunit ang tissue ay maaaring tumagal ng hanggang apat na beses bago ito masira. "Alam namin na may puwang para sa pagpapabuti," sabi ni Wiley.
Ang mga implant ng tuhod ay hindi tumatagal magpakailanman
Noong nakaraan, ang mga mananaliksik na sumusubok na lumikha ng mas malalakas na hydrogels ay gumamit ng isang proseso ng freeze-thaw upang makagawa ng mga kristal sa loob ng gel, na nagpapalabas ng tubig at tumutulong na hawakan ang mga polymer chain. Sa bagong pag-aaral, sa halip na i-freeze at lasaw ang hydrogel, ang mga mananaliksik ay gumamit ng heat treatment na tinatawag na annealing upang suyuin ang higit pang mga kristal upang mabuo sa loob ng polymer network.
Sa pamamagitan ng pagtaas ng nilalaman ng kristal, ang mga mananaliksik ay nakagawa ng isang gel na makatiis ng limang beses na mas maraming stress mula sa paghila at halos dalawang beses na mas maraming lamutak na may kaugnayan sa mga pamamaraan ng freeze-thaw. Ang pinahusay na lakas ng annealed gel ay nakatulong din sa paglutas ng pangalawang hamon sa disenyo: pag-secure nito sa magkasanib na bahagi at panatilihin itong manatili.
Ang cartilage ay bumubuo ng isang manipis na layer na sumasaklaw sa mga dulo ng mga buto upang hindi sila gumiling sa isa't isa. Ang mga nakaraang pag-aaral ay hindi nakapag-attach ng mga hydrogel nang direkta sa buto o cartilage na may sapat na lakas upang pigilan ang mga ito na kumalas o mag-slide. Kaya't ang pangkat ng Duke ay gumawa ng ibang diskarte.
Ang kanilang paraan ng attachment ay nagsasangkot ng pagsemento at pag-clamping ng hydrogel sa a titan base. Ito ay pagkatapos ay pinindot at iniangkla sa isang butas kung saan naroon ang nasirang kartilago. Ipinapakita ng mga pagsubok na ang disenyo ay nananatiling nakatali nang 68% na mas matatag kaysa sa natural na kartilago sa buto.
"Ang isa pang pag-aalala para sa mga implant ng tuhod ay ang pagsusuot sa paglipas ng panahon, ang parehong implant mismo at ang magkasalungat na kartilago," sabi ni Wiley.
'Isang dramatikong pagbabago sa paggamot'
Sinubukan ng iba pang mga mananaliksik na palitan ang nasirang kartilago ng mga implant ng tuhod na gawa sa metal o polyethylene, ngunit dahil ang mga materyales na ito ay mas matigas kaysa sa cartilage maaari silang masira sa ibang bahagi ng tuhod.
Sa mga pagsusulit sa pagsusuot, ang mga mananaliksik ay kumuha ng artipisyal na kartilago at natural na kartilago at pinaikot ang mga ito laban sa isa't isa ng isang milyong beses, na may presyon na katulad ng kung ano ang nararanasan ng tuhod habang naglalakad.
Gamit ang isang high-resolution na X-ray scanning technique na tinatawag na micro-computed tomography (micro-CT), nalaman ng mga siyentipiko na ang ibabaw ng kanilang lab-made na bersyon ay nagtataglay ng tatlong beses na mas mahusay kaysa sa tunay na bagay. Ngunit dahil ginagaya ng hydrogel ang makinis, madulas, malambot na katangian ng tunay na kartilago, pinoprotektahan nito ang iba pang magkasanib na ibabaw mula sa alitan habang dumudulas ang mga ito laban sa implant.
Ang natural na kartilago ay kapansin-pansing matibay na bagay. Ngunit sa sandaling nasira, ito ay may limitadong kakayahang magpagaling dahil wala itong anumang mga daluyan ng dugo, sabi ni Wiley.
Sa Estados Unidos, osteoarthritis ay dalawang beses na mas karaniwan ngayon kaysa noong nakaraang siglo. Ang operasyon ay isang opsyon kapag nabigo ang mga konserbatibong paggamot. Sa paglipas ng mga dekada, nakabuo ang mga surgeon ng ilang minimally invasive approach, gaya ng pagtanggal ng maluwag na cartilage, o paggawa ng mga butas upang pasiglahin ang bagong paglaki, o paglipat ng malusog na cartilage mula sa isang donor. Ngunit ang lahat ng mga pamamaraang ito ay nangangailangan ng mga buwan ng rehab, at ilang porsyento ng mga ito ang nabigo sa paglipas ng panahon.
Sa pangkalahatan ay itinuturing na isang huling paraan, ang kabuuang pagpapalit ng tuhod ay isang napatunayang paraan upang mapawi ang sakit. Ngunit ang mga artipisyal na kasukasuan ay hindi rin tumatagal magpakailanman. Lalo na para sa mga nakababatang pasyente na gustong umiwas sa malaking operasyon para sa isang device na kakailanganin lamang na palitan muli sa linya, sabi ni Wiley, "wala lang masyadong magandang opsyon doon."
"Sa tingin ko ito ay isang dramatikong pagbabago sa paggamot para sa mga tao sa yugtong ito," sabi ni Wiley.
Pinondohan ng Sparta Biomedical at ng Shared Materials Instrumentation Facility sa Duke University ang gawain. Sina Wiley at Gall ay mga shareholder sa Sparta Biomedical.
Source: Duke University
Mga Kaugnay na Libro:
The Body Keeps the Score: Brain Mind and Body in the Healing of Trauma
ni Bessel van der Kolk
Tinutuklas ng aklat na ito ang mga koneksyon sa pagitan ng trauma at pisikal at mental na kalusugan, na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapagaling at pagbawi.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
Paghinga: Ang Bagong Agham ng Nawalang Sining
ni James Nestor
Sinasaliksik ng aklat na ito ang agham at kasanayan sa paghinga, na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapabuti ng pisikal at mental na kalusugan.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
The Plant Paradox: Ang Mga Nakatagong Panganib sa "Malulusog" na Pagkaing Nagdudulot ng Sakit at Pagtaas ng Timbang
ni Steven R. Gundry
Tinutuklas ng aklat na ito ang mga link sa pagitan ng diyeta, kalusugan, at sakit, na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapabuti ng pangkalahatang kalusugan at kagalingan.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
The Immunity Code: The New Paradigm for Real Health and Radical Anti-Aging
ni Joel Greene
Ang aklat na ito ay nag-aalok ng bagong pananaw sa kalusugan at kaligtasan sa sakit, na kumukuha sa mga prinsipyo ng epigenetics at nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pag-optimize ng kalusugan at pagtanda.
I-click para sa karagdagang impormasyon o para mag-order
Ang Kumpletong Gabay sa Pag-aayuno: Pagalingin ang Iyong Katawan sa Pamamagitan ng Pasulput-sulpot, Kahaliling Araw, at Pinahabang Pag-aayuno
ni Dr. Jason Fung at Jimmy Moore
Tinutuklas ng aklat na ito ang agham at kasanayan ng pag-aayuno na nag-aalok ng mga insight at diskarte para sa pagpapabuti ng pangkalahatang kalusugan at kagalingan.
