Гидрогелевый аналог хрящевой ткани человека

Автор: исполнительный директор проекта «Травматология и фармакология: точки соприкосновения» Непорожний А. А., материалы из открытых источников.

Практически каждый из нас хоть раз в жизни сталкивался с такой проблемой как острая или ноющая боль в коленном суставе. Профессиональные спортсмены и любители активных видов спорта даже без травм могут ощутить её уже в 30-35 лет, остальные – после 55-60. Существуют инфекционные заболевания, поражающие коленные суставы даже в юношеском возрасте (ревматоидный полиартрит, синовит ...)

Рис. 1. Коленный сустав

Если на начальных стадиях дегенеративно-дистрофических изменений хрящевой ткани коленного сустава болезнь можно остановить и даже обратить вспять (комплексная терапия с применением противовоспалительных препаратов и внутрисуставных инъекций гиалуроновой кислоты), то на последних стадиях гонартроза (гонартроз  (или артроз коленного сустава)  - хроническое заболевание, в основе которого лежат  дегенеративно-дистрофические процессы, затрагивающие главным образом хрящ, а также другие структуры сустава, в результате чего нарушается опорная и двигательная функция) единственная возможность восстановить функцию конечности – это эндопротезирование коленного сустава, сложная, дорогая, травматичная операция. Только в США ежегодно выполняется около 600 тысяч операций по первичной или ревизионной (повторной) замене суставов.

Рис.2. Повреждения и заболевания хрящевой ткани коленного сустава

В чем же состоит суть проблемы? Это - повреждение хрящевой ткани коленного сустава, слоя, который выполняет функцию амортизатора при движении. Износ (повреждение) приводит к тому, что кости начинают тереться друг о друга, вызывая ещё большие повреждения хряща и самой кости, причиняя невыносимую боль и частичную или полную потерю функций коленного сустава. Как известно, способность хрящевой ткани к восстановлению ограничена. Чем старше человек и чем обширнее повреждения, тем сложнее вылечить последствия дегенеративно-дистрофических изменений (повреждений) хрящевой ткани.

Альтернативы эндопротезированию при последних стадиях гонартроза на сегодняшний день нет. Однако недавно группа учёных из Университета Дьюка разработала гидрогель, который по долговечности, прочности и эластичности соответствует хрящевой ткани человека. Предполагается, что этим искусственным материалом можно заменить поврежденную хрящевую ткань.

Первые попытки заменить поврежденный хрящ искусственными аналогами в форме гидрогеля предпринимались еще в 70-х годах прошлого столетия. Этот материал достаточно скользкий, хорошо приживается и не наносит вреда соседним клеткам. Однако его выносливости и прочности недостаточно для несущих суставов и если после его применения начинались проблемы с коленом – приходилось заменять протезом весь сустав. Ученые из Университета Дьюка считают, что им наконец-то удалось создать гидрогель, который может сравниться по свойствам с хрящевой тканью. Исследование опубликовано в журнале «Advanced Functional Materials».

Этот новый материал представляет собой мягкий и достаточно прочный гидрогель, способный не только выдержать вес человека, но и выполнять свою функцию десятки лет после имплантации. По своей долговечности и физическим свойствам, уникальный гидрогель полностью аналогичен хрящевой ткани человека.

Невзирая на то, что он на 60% состоит из воды, он способен выдерживать вес до 160 кг, и при этом сохранять свою форму при многократно повторяющихся нагрузках. Авторы разработки утверждают, что в его состав входят водопоглощающие полимеры.

Рис. 3. Испытания гидрогеля

Гель состоит из трех полимерных сетей:

- одна сплетена из эластичных нитей;
- вторая - из более жестких, с отрицательными зарядами по всей длине,
- третья - из целлюлозных волокон.

"Только такое сочетание всех трех компонентов одновременно гибкое, жесткое и, следовательно, сильное", - объяснил Фейхен Янг (Feichen Yang), соавтор исследования.

Когда материал растягивается, целлюлозные волокна предохраняют его от разрыва. Когда сжимается, отрицательные заряды вдоль жестких полимерных цепей отталкиваются друг от друга и «прилипают» к воде, помогая искусственной ткани вернуться к своей первоначальной форме. Этот новый гидрогель способен противостоять большим нагрузкам и растяжениям. Кроме того, он практически не изнашивается со временем.

Исследователь Кен Галл (Ken Gall), один из авторов разработки, считает, что уже в ближайшем будущем он и его коллеги смогут предложить людям с проблемами коленного сустава возможность замены поврежденного хряща, а еще - альтернативу огромному количеству операций, связанных с заменой коленного сустава. Свое изобретение специалисты назвали уникальным. Его гладкая, почти резиновая основа обеспечивает скольжение всех элементов без напряжения, выдерживая любой вес, даже если он в два, а то и в три раза больше нормы.

"Мы решили сделать первый гидрогель, который обладает механическими свойствами хряща", - сказал Бен Уайли (Benjamin J. Wiley), профессор химии.

Команда разработчиков продемонстрировала возможности нового материала. Всего один диск объемом в четверть литра удержал 45-килограммовую гирю, не теряя при этом формы, а с растяжениями (растянули его около 100 000 раз) он справлялся так же хорошо, как пористый титан, который используют для изготовления костных имплантатов. Наконец, чтобы проверить износостойкость, его терли около миллиона раз: оказалось, что материал выдерживает трение как натуральный хрящ - и в четыре раза лучше современных синтетических.

Рис. 4. Испытание гидрогеля на износостойкость
А. Компоненты экспериментальной установки для испытаний гидрогеля на нагрузки.
B. Снимок сделан во время испытания.

Клинические испытания нового гидрогеля можно будет начать в лучшем случае через несколько лет, а до этого придется проверить его на безопасность и биосовместимость. Тем временем, химики планируют создать имплантат, который можно будет протестировать на овцах.

Другие материалы