El cartílago artificial es muy flexible pero resistente al desgarro. Crédito:Joseph Xu, Comunicaciones y marketing de ingeniería de Michigan
La incomparable fuerza líquida del cartílago, que es aproximadamente un 80 por ciento de agua, soporta algunas de las fuerzas más duras de nuestro cuerpo.
Los materiales sintéticos no podían igualarlo, hasta que investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Jiangnan desarrollaron el "Kevlartilage".
"Sabemos que estamos compuestos principalmente de agua, toda la vida lo hace, y sin embargo, nuestros cuerpos tienen mucha estabilidad estructural, "dijo Nicholas Kotov, el Profesor Joseph B. y Florence V. Cejka de Ingeniería en la U-M, quien dirigió el estudio. "Comprender el cartílago es comprender cómo las formas de vida pueden combinar propiedades que a veces son impensables juntas".
Muchas personas con lesiones en las articulaciones se beneficiarían de un buen reemplazo de cartílago, como el 850, 000 pacientes en los EE. UU. Que se someten a cirugías para extirpar o reemplazar cartílago de la rodilla.
Mientras que otras variedades de cartílago sintético ya se están sometiendo a ensayos clínicos, estos materiales se dividen en dos campos que eligen entre los atributos del cartílago, incapaz de lograr esa improbable combinación de fuerza y contenido de agua.
Los otros materiales sintéticos que imitan las propiedades físicas del cartílago no contienen suficiente agua para transportar los nutrientes que las células necesitan para prosperar. Dijo Kotov.
Las células sobreviven bien en la matriz de cartílago sintético:las células verdes están vivas, y los glóbulos rojos están muertos. Crédito:Lizhi Xu, Laboratorio Kotov, Universidad de Michigan.
Mientras tanto, hidrogeles, que incorporan agua en una red de largos, Moléculas flexibles:pueden diseñarse con suficiente agua para apoyar el crecimiento de las células de condrocitos que forman el cartílago natural. Sin embargo, esos hidrogeles no son especialmente fuertes. Se rompen bajo tensiones una fracción de lo que puede soportar el cartílago.
El nuevo hidrogel a base de Kevlar recrea la magia del cartílago al combinar una red de nanofibras resistentes de Kevlar, las fibras de "aramida" más conocidas por fabricar chalecos antibalas, con un material comúnmente utilizado en reemplazos de cartílago de hidrogel. llamado alcohol polivinílico, o PVA.
En cartílago natural, la red de proteínas y otras biomoléculas obtiene su fuerza al resistir el flujo de agua entre sus cámaras. La presión del agua reconfigura la red, permitiendo que se deforme sin romperse. El agua se libera en el proceso, y la red se recupera absorbiendo agua posteriormente.
Este mecanismo permite juntas de alto impacto, como las rodillas, para hacer frente a las fuerzas de castigo. Correr repetidamente golpea el cartílago entre los huesos, Como resultado, expulsa el agua y hace que el cartílago sea más flexible. Luego, cuando el corredor descansa, el cartílago absorbe agua para que vuelva a proporcionar una fuerte resistencia a la compresión.
El cartílago sintético cuenta con el mismo mecanismo, liberando agua bajo estrés y luego recuperándose absorbiendo agua como una esponja. Las nanofibras de aramida forman la estructura del material, mientras que el PVA atrapa agua dentro de la red cuando el material está expuesto a estiramiento o compresión. Incluso las versiones del material que contenían un 92 por ciento de agua eran comparables en resistencia al cartílago, con la versión del 70 por ciento logrando la elasticidad del caucho.
Una imagen de microscopio electrónico de la matriz de cartílago sintético. Crédito:Lizhi Xu, Laboratorio Kotov, Universidad de Michigan.
Como las nanofibras de aramida y el PVA no dañan las células adyacentes, Kotov anticipa que este cartílago sintético puede ser un implante adecuado para algunas situaciones, como las partes más profundas de la rodilla. También se pregunta si los condrocitos podrían establecerse dentro de la red sintética para producir un cartílago híbrido.
Pero sus aplicaciones potenciales no se limitan al cartílago. Sospecha que redes similares, con diferentes proporciones de nanofibras de aramida, PVA y agua, puede ser capaz de sustituir a otros tejidos blandos.
"Tenemos muchas membranas en el cuerpo que requieren las mismas propiedades. Me gustaría evaluar el espacio, ", Dijo Kotov." Hablaré con los médicos sobre dónde está la necesidad aguda y dónde esta intersección de las propiedades nos permitirá hacer el mejor progreso y el mayor impacto ".
Kotov es miembro del Biointerfaces Institute, que proporciona un espacio compartido para investigadores de las facultades de ingeniería y medicina de la UM. También es profesor de ingeniería química, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, y ciencia e ingeniería macromolecular.
El estudio, publicado recientemente en Materiales avanzados , se titula "Compuestos biomiméticos ricos en agua con red abiótica de nanofibras autoorganizadas". Fue apoyado por la National Science Foundation, con fondos adicionales del Departamento de Defensa. La universidad está buscando protección por patente y socios para llevar la tecnología al mercado.
