ラボで作られた膝軟骨は本物を凌駕する

交換用膝軟骨 8 16
新しい研究室で作られた膝軟骨は、天然の軟骨よりも 26% 強く、キー リングから 66 台のグランド ピアノを吊るすようなものであり、圧縮では XNUMX% 強く、これは郵便切手に車を駐車するようなものです。 (クレジット: ダニエル・ティーレ/アンスプラッシュ)

新しい研究によると、新しいゲルベースの膝軟骨代用物は、本物よりも強く耐久性があります.

市販の鎮痛剤、理学療法、ステロイド注射など、すべてを試しても膝の痛みに悩まされている人もいます。

多くの場合、膝の痛みは、進行性の摩耗と裂傷から生じます。 軟骨 変形性関節症として知られており、世界中の成人のほぼ 867 人に XNUMX 人、XNUMX 億 XNUMX 万人が罹患しています。 膝関節全体の交換を避けたい人にとって、新しい軟骨は、患者がすぐに痛みを伴わずに足を元に戻し、その状態を維持するのに役立つ可能性があります.

雑誌に報告されているように 高度機能材料、機械的テストでは、ヒドロゲル(吸水性ポリマーで作られた材料)は、天然の軟骨よりも大きな力で押したり引いたりすることができ、摩耗や裂傷に対してXNUMX倍の耐性があることが明らかになりました.

この材料で作られたインプラントは現在、Sparta Biomedical によって開発され、ヒツジでテストされています。 研究者たちは来年、ヒトでの臨床試験を開始する準備を進めています。

「すべてが計画通りに進めば、臨床試験は 2023 年 XNUMX 月に開始されるはずです」と、機械工学および材料科学のケン ガル教授と共に研究を率いたデューク大学の化学教授であるベンジャミン ワイリーは言います。

天然膝軟骨

この材料を作るために、チームはセルロース繊維の薄いシートを取り、ポリビニルアルコールと呼ばれるポリマーを注入して、ゲルを形成しました.

セルロース繊維は、 コラーゲン繊維 自然の軟骨では、伸びたときにゲルに強度を与えます. ポリビニルアルコールが元の形に戻るのを助けます。 その結果、60% が水分で、しなやかでありながら驚くほど強いゼリー状の素材ができあがりました。

天然の軟骨は、その限界点に達する前に、それぞれ 5,800 インチあたり 8,500 ~ 26 ポンドもの引っ張りと押しつぶしに耐えることができます。 実験室で作られたバージョンは、さらに処理できる最初のハイドロゲルです。 天然の軟骨よりも 66% 強く、キー リングから XNUMX 台のグランド ピアノを吊り下げるようなものであり、圧縮では XNUMX% 強く、これは郵便切手に車を駐車するようなものです。


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「ハイドロゲルの強度という点では、本当に桁外れです」と Wiley 氏は言います。

チームはすでに、優れた特性を持つハイドロゲルを作成しています。 2020年、彼らは最初のハイドロゲルを作成したと報告しました 膝に十分強い一歩ごとに体重のXNUMX~XNUMX倍の力を感じる。

しかし、ゲルを軟骨の代替として実用化するには、さらなる設計上の課題がありました。 10つは、軟骨の強度の上限を達成することでした。 飛び跳ねる、突進する、階段を上るなどの活動は、膝の軟骨に約 1,400 メガパスカル、つまり XNUMX 平方インチあたり約 XNUMX ポンドの圧力をかけます。 しかし、組織が壊れるまでに最大で XNUMX 倍かかることがあります。 「改善の余地があることはわかっていました」と Wiley 氏は言います。

膝のインプラントは永遠に続くわけではありません

過去に、より強力なヒドロゲルを作成しようとした研究者は、凍結融解プロセスを使用してゲル内に結晶を生成しました。これは水を追い出し、ポリマー鎖を一緒に保持するのに役立ちます. 新しい研究では、ヒドロゲルを凍結および解凍する代わりに、研究者はアニーリングと呼ばれる熱処理を使用して、ポリマーネットワーク内でさらに多くの結晶を形成させました.

結晶含有量を増やすことで、研究者は、凍結融解法と比較して、引っ張ることによる XNUMX 倍の応力と、ほぼ XNUMX 倍の圧搾に耐えることができるゲルを製造することができました。 アニールされたゲルの強度が向上したことで、XNUMX つ目の設計上の課題も解決されました。それは、ジョイントに固定し、ずれないようにすることです。

軟骨は骨の端を覆う薄い層を形成するため、骨同士が擦れ合うことはありません。 これまでの研究では、ヒドロゲルを骨や軟骨に直接付着させ、それらが緩んだり滑り落ちたりするのを防ぐのに十分な強度が得られませんでした. そこで、Duke チームは別のアプローチを考え出しました。

彼らの取り付け方法には、ハイドロゲルをセメントで固定してクランプすることが含まれます。 チタン ベース。 これは、損傷した軟骨があった穴に押し込まれ、固定されます。 テストによると、このデザインは、骨の自然な軟骨よりも 68% しっかりと固定されたままです。

「膝インプラントのもうXNUMXつの懸念は、インプラント自体と反対側の軟骨の両方が時間とともに摩耗することです」とWiley氏は言います.

「治療の劇的な変化」

他の研究者は、損傷した軟骨を金属またはポリエチレン製の膝インプラントで置き換えようとしましたが、これらの材料は軟骨よりも硬いため、膝の他の部分と擦れる可能性があります.

摩耗テストでは、研究者は人工軟骨と天然軟骨を取り、歩行中に膝が受ける圧力と同様の圧力で、それらを互いにXNUMX万回回転させました.

マイクロ CT と呼ばれる高解像度 X 線スキャン技術を使用して、科学者たちは、実験室で作られたバージョンの表面が本物よりも XNUMX 倍優れていることを発見しました。 しかし、ハイドロゲルは本物の軟骨の滑らかで滑りやすく、クッション性のある性質を模倣しているため、他の関節面がインプラントに対して滑る際の摩擦から保護されます。

天然軟骨は耐久性に優れた素材です。 しかし、いったん損傷すると、血管がないため、治癒能力が限られていると Wiley 氏は言います。

米国では、 変形性関節症 XNUMX 世紀前の XNUMX 倍になっています。 保存的治療が効かない場合は、手術が選択肢となります。 何十年にもわたって、外科医は、緩んだ軟骨の除去、新しい成長を刺激するための穴の作成、ドナーからの健康な軟骨の移植など、低侵襲のアプローチを数多く開発してきました。 しかし、これらの方法はすべて数か月のリハビリを必要とし、時間の経過とともに失敗する割合もあります。

一般的には最後の手段と考えられている人工膝関節全置換術は、痛みを和らげる実証済みの方法です。 しかし、人工関節も永久に続くわけではありません。 特に、今後交換するだけで済むデバイスの大手術を避けたい若い患者にとっては、「あまり良い選択肢はありません」と Wiley 氏は言います。

「これは、この段階にある人々の治療に劇的な変化をもたらすと思います」とワイリーは言います。

デューク大学の Sparta Biomedical と Shared Materials Instrumentation Facility がこの作業に資金を提供しました。 Wiley と Gall は Sparta Biomedical の株主です。

ソース: デューク大学


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