Гідрогелевий аналог хрящової тканини людини

Автор: виконавчий директор проекту «Травматологія та фармакологія: точки дотику» Непорожній О. А., матеріали з відкритих джерел.

Практично кожен з нас хоч раз у житті стикався з такою проблемою як гострий або ниючий біль в колінному суглобі. Професійні спортсмени і любителі активних видів спорту навіть без травм можуть відчути його вже в 30-35 років, решта - після 55-60. Існують інфекційні захворювання, що вражають колінні суглоби навіть у підлітковому віці (ревматоїдний поліартрит, синовіт ...)

Рис. 1 Колінний суглоб

Якщо на початкових стадіях дегенеративно-дистрофічних змін хрящової тканини колінного суглоба хворобу можна зупинити і навіть повернути назад (комплексна терапія із застосуванням протизапальних препаратів і внутрішньосуглобових ін'єкцій гіалуронової кислоти), то на останніх стадіях гонартрозу (гонартроз (або артроз колінного суглоба) - хронічне захворювання, в основі якого лежать дегенеративно-дистрофічні процеси, які впливають головним чином на хрящ, а також на інші структури суглоба, в результаті чого порушується опорна і рухова функція) єдина можливість відновити функцію кінцівки - це ендопротезування колінного суглоба, складна, дорога, травматична операція. Тільки в США щороку проводиться близько 600 тисяч операцій з приводу первинної або ревізійної (повторної) заміни суглобів.

Рис.2. Пошкодження та захворювання хрящової тканини колінного суглоба

У чому ж полягає суть проблеми? Це - пошкодження хрящової тканини колінного суглоба, шару, який виконує функцію амортизатора при русі. Зношування (пошкодження) призводить до того, що кістки починають тертися одна об одну, спричиняючи ще більші пошкодження хряща і самої кістки, завдаючи нестерпного болю і провокуючи часткову або повну втрату функцій колінного суглоба. Як відомо, здатність хрящової тканини до відновлення обмежена. Чим старша людина і чим більші пошкодження, тим складніше вилікувати наслідки дегенеративно-дистрофічних змін (ушкоджень) хрящової тканини.
Альтернативи ендопротезування при останніх стадіях гонартрозу на сьогоднішній день немає.
Однак нещодавно група вчених з університету Дьюка розробила гідрогель, який по довговічності, міцності та еластичності відповідає характеристикам хрящової тканини людини. Передбачається, що цим штучним матеріалом можна замінити пошкоджену хрящову тканину.

Перші спроби замінити пошкоджений хрящ штучними аналогами в формі гідрогелю робилися ще в 70-х роках минулого століття. Цей матеріал досить слизький, добре приживається і не завдає шкоди сусіднім клітинам. Однак його витривалості і міцності недостатньо для несучих суглобів, і якщо після його застосування починалися проблеми з коліном - доводилося замінювати протезом весь суглоб.

Вчені з університету Дьюка вважають, що їм нарешті вдалося створити гідрогель, який може зрівнятися за властивостями з хрящовою тканиною. Дослідження опубліковане в журналі «Advanced Functional Materials».

Цей новий матеріал являє собою м'який і досить міцний гідрогель, здатний не тільки витримати вагу людини, а й виконувати свою функцію десятки років після імплантації. За своєю довговічністю і фізичними властивостями унікальний гідрогель повністю аналогічний хрящовій тканині людини.

Незважаючи на те, що він на 60% складається з води, він здатний витримувати вагу до 160 кг і при цьому зберігати свою форму при багаторазово повторюваних навантаженнях. Автори розробки стверджують, що до його складу входять полімери, які поглинають та утримують воду.

Рис. 3. Випробування гідрогелю

Гель складається з трьох полімерних мереж:

- одна сплетена з еластичних ниток;
- друга - з більш жорстких, з негативними зарядами по всій довжині,
- третя - з целюлозних волокон.

"Тільки таке поєднання всіх трьох компонентів одночасно гнучке, жорстке і, отже, сильне", - пояснив Фейхо Янг (Feichen Yang), співавтор дослідження.

Коли матеріал розтягується, целюлозні волокна оберігають його від розриву. Коли стискається, негативні заряди уздовж жорстких полімерних ланцюгів відштовхуються один від одного і «прилипають» до води, допомагаючи штучній тканині повернутися до своєї початкової форми. Цей новий гідрогель здатний протистояти великим навантаженням і розтягуванню. Крім того, він практично не зношується з часом.

Дослідник Кен Галл (Ken Gall), один з авторів розробки, вважає, що вже в найближчому майбутньому він і його колеги зможуть запропонувати людям з проблемами колінного суглоба можливість заміни пошкодженого хряща, а ще - альтернативу величезній кількості операцій, пов'язаних із заміною колінного суглоба. Свій винахід фахівці назвали унікальним. Його гладенька, майже гумова основа забезпечує ковзання всіх елементів без напруги, витримуючи будь-яку вагу, навіть якщо вона вдвічі, а то і втричі більше норми.

"Ми вирішили зробити перший гідрогель, який має механічні властивості хряща", - сказав Бен Уайлі (Benjamin J. Wiley), професор хімії.

Команда розробників продемонструвала можливості нового матеріалу. Лише один диск об'ємом в чверть літра втримав 45-кілограмову гирю, не втрачаючи при цьому форми, а з розтягуваннями (розтягнули його близько 100 000 разів) він упорався так само добре, як пористий титан, який використовують для виготовлення кісткових імплантатів. Нарешті, щоб перевірити зносостійкість, його терли близько мільйона разів: виявилося, що матеріал витримує тертя як натуральний хрящ - в чотири рази краще сучасних синтетичних.

Рис. 4. Випробування гідрогелю на зносостійкість
А. Компоненти експериментальної установки для випробувань гідрогелю на навантаження.
B. Знімок зроблений під час випробування.

Клінічні випробування нового гідрогелю в найкращому випадку можна буде почати через кілька років, а до цього доведеться перевірити його на безпечність і біосумісність. Тим часом, хіміки планують створити імплантат, який можна буде протестувати на вівцях.

Інші матеріали