Một loại sụn đầu gối mới được sản xuất trong phòng thí nghiệm mạnh hơn 26% so với sụn tự nhiên ở độ căng, giống như treo bảy cây đại dương cầm từ một vòng chìa khóa và mạnh hơn 66% ở độ nén — giống như đậu một chiếc xe hơi trên một con tem bưu chính. (Tín dụng: Daniel Thiele / Unsplash)
Theo một nghiên cứu mới đây, một chất thay thế sụn đầu gối bằng gel mới chắc chắn và bền hơn hàng thật.
Thuốc giảm đau không kê đơn, vật lý trị liệu, tiêm steroid — một số người đã thử tất cả và vẫn đang đối phó với cơn đau đầu gối.
Thường thì đau đầu gối xuất phát từ sự hao mòn tiến triển của xương sụn được gọi là viêm xương khớp, ảnh hưởng đến gần một trong sáu người trưởng thành — 867 triệu người — trên toàn thế giới. Đối với những người muốn tránh phải thay toàn bộ khớp gối, sụn mới có thể sớm giúp bệnh nhân đi lại nhanh, không đau và giữ nguyên như vậy.
Theo báo cáo trên tạp chí Vật liệu chức năng nâng cao, thử nghiệm cơ học cho thấy hydrogel - một vật liệu làm từ polyme hấp thụ nước - có thể được ép và kéo với lực nhiều hơn so với sụn tự nhiên, và có khả năng chống mài mòn cao hơn gấp ba lần.
Cấy ghép làm bằng vật liệu này hiện đang được Sparta Biomedical phát triển và thử nghiệm trên cừu. Các nhà nghiên cứu đang chuẩn bị bắt đầu thử nghiệm lâm sàng trên người vào năm tới.
“Nếu mọi thứ diễn ra theo đúng kế hoạch, thử nghiệm lâm sàng sẽ bắt đầu sớm nhất là vào tháng 2023 năm XNUMX,” Benjamin Wiley, giáo sư hóa học tại Đại học Duke, người đứng đầu cuộc nghiên cứu cùng với Ken Gall, giáo sư kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu, cho biết.
Sụn đầu gối tự nhiên
Để tạo ra vật liệu này, nhóm nghiên cứu đã lấy các tấm mỏng của sợi xenluloza và truyền chúng với một loại polyme gọi là polyvinyl alcohol - một chất nhớt dẻo bao gồm các chuỗi phân tử lặp đi lặp lại - để tạo thành gel.
Các sợi xenlulo hoạt động giống như sợi collagen trong sụn tự nhiên, Wiley nói - chúng cung cấp độ bền cho gel khi kéo căng. Rượu polyvinyl giúp nó trở lại hình dạng ban đầu. Kết quả là một vật liệu giống như Jello, 60% là nước, dẻo dai nhưng mạnh mẽ một cách đáng ngạc nhiên.
Sụn tự nhiên có thể chịu được lực kéo và vặn xoắn khổng lồ từ 5,800 đến 8,500 pound trên mỗi inch trước khi đạt đến điểm đứt gãy. Phiên bản do phòng thí nghiệm sản xuất là hydrogel đầu tiên có thể xử lý nhiều hơn thế. Nó mạnh hơn 26% so với sụn tự nhiên ở độ căng, một cái gì đó giống như treo bảy cây đại dương cầm khỏi vòng chìa khóa và mạnh hơn 66% khi nén — giống như đậu một chiếc xe hơi trên một con tem bưu chính.
Wiley nói: “Nó thực sự nằm ngoài bảng xếp hạng về độ bền của hydrogel.
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra hydrogel với các đặc tính đáng chú ý. Vào năm 2020, họ báo cáo rằng họ đã tạo ra hydrogel đầu tiên đủ mạnh cho đầu gối, cảm nhận lực của hai đến ba lần trọng lượng cơ thể với mỗi bước.
Tuy nhiên, việc đưa gel vào sử dụng thực tế như một chất thay thế sụn, đưa ra những thách thức về thiết kế bổ sung. Một là đạt được giới hạn trên của sức mạnh của sụn. Các hoạt động như nhảy, nhào lộn hoặc leo cầu thang gây áp lực khoảng 10 Megapascal lên sụn ở đầu gối, tương đương khoảng 1,400 pound mỗi inch vuông. Nhưng mô có thể mất đến bốn lần trước khi nó bị vỡ. Wiley nói: “Chúng tôi biết rằng có chỗ để cải thiện.
Cấy ghép đầu gối không tồn tại mãi mãi
Trước đây, các nhà nghiên cứu cố gắng tạo ra các hydrogel mạnh hơn đã sử dụng quá trình đông lạnh-tan băng để tạo ra các tinh thể bên trong gel, giúp loại bỏ nước và giúp giữ các chuỗi polyme lại với nhau. Trong nghiên cứu mới, thay vì đóng băng và làm tan băng hydrogel, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp xử lý nhiệt được gọi là ủ để thu hút nhiều tinh thể hơn nữa hình thành trong mạng lưới polyme.
Bằng cách tăng hàm lượng tinh thể, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một loại gel có thể chịu được lực kéo gấp XNUMX lần và gần gấp đôi lực ép so với phương pháp đông lạnh-tan băng. Độ bền được cải thiện của gel ủ cũng giúp giải quyết một thách thức thiết kế thứ hai: cố định nó vào khớp và giữ cho nó cố định.
Sụn tạo thành một lớp mỏng bao bọc các đầu xương để chúng không mài vào nhau. Các nghiên cứu trước đây đã không thể gắn hydrogel trực tiếp vào xương hoặc sụn với đủ độ bền để giữ cho chúng không bị gãy hoặc trượt ra. Vì vậy, nhóm Duke đã đưa ra một cách tiếp cận khác.
Phương pháp gắn kết của họ bao gồm xi măng và kẹp hydrogel vào titan cơ sở. Sau đó, nó được ép và neo vào một lỗ nơi sụn bị hư hỏng từng ở. Các thử nghiệm cho thấy thiết kế được gắn chặt hơn 68% so với sụn tự nhiên trên xương.
Wiley nói: “Một mối quan tâm khác đối với việc cấy ghép đầu gối là sự hao mòn theo thời gian, cả bản thân mô cấy và sụn đối lập.
'Một sự thay đổi đáng kể trong điều trị'
Các nhà nghiên cứu khác đã thử thay thế sụn bị hư hỏng bằng cấy ghép đầu gối làm bằng kim loại hoặc polyethylene, nhưng vì những vật liệu này cứng hơn sụn nên chúng có thể chống lại các bộ phận khác của đầu gối.
Trong các thử nghiệm về độ mòn, các nhà nghiên cứu đã lấy sụn nhân tạo và sụn tự nhiên và xoay chúng lại với nhau hàng triệu lần, với áp lực tương tự như những gì đầu gối phải trải qua khi đi bộ.
Sử dụng kỹ thuật quét tia X có độ phân giải cao được gọi là chụp cắt lớp vi tính (micro-CT), các nhà khoa học phát hiện ra rằng bề mặt của phiên bản do phòng thí nghiệm tạo ra có độ cứng tốt hơn gấp ba lần so với đồ thật. Tuy nhiên, bởi vì hydrogel bắt chước tính chất đệm, trơn, trơn của sụn thật, nó bảo vệ các bề mặt khớp khác khỏi ma sát khi chúng trượt với mô cấy.
Sụn tự nhiên là thứ có độ bền đáng kể. Nhưng một khi bị tổn thương, khả năng chữa lành của nó rất hạn chế vì nó không có bất kỳ mạch máu nào, Wiley nói.
Ở Mỹ, viêm xương khớp ngày nay phổ biến gấp đôi so với một thế kỷ trước. Phẫu thuật là một lựa chọn khi các phương pháp điều trị bảo tồn thất bại. Trong nhiều thập kỷ, các bác sĩ phẫu thuật đã phát triển một số phương pháp xâm lấn tối thiểu, chẳng hạn như loại bỏ sụn lỏng lẻo hoặc tạo lỗ để kích thích sự phát triển mới hoặc cấy ghép sụn khỏe mạnh từ người hiến tặng. Nhưng tất cả các phương pháp này đều cần nhiều tháng phục hồi chức năng và một số phần trăm thất bại theo thời gian.
Nói chung được coi là biện pháp cuối cùng, thay toàn bộ đầu gối là một cách đã được chứng minh để giảm đau. Nhưng khớp nhân tạo cũng không tồn tại mãi mãi. Đặc biệt đối với những bệnh nhân trẻ tuổi, những người muốn tránh phẫu thuật lớn cho một thiết bị chỉ cần thay thế một lần nữa sau khi chuyển tuyến, Wiley nói, “không có lựa chọn nào rất tốt ở đó”.
Wiley nói: “Tôi nghĩ đây sẽ là một sự thay đổi đáng kể trong cách điều trị đối với những người ở giai đoạn này.
Sparta Biomedical và Cơ sở Dụng cụ Vật liệu Dùng chung tại Đại học Duke đã tài trợ cho công việc này. Wiley và Gall là cổ đông của Sparta Biomedical.
nguồn: Đại học Duke
Sách liên quan:
Cơ thể ghi điểm: Bộ não và cơ thể trong quá trình chữa lành chấn thương
bởi Bessel van der Nikol
Cuốn sách này khám phá mối liên hệ giữa chấn thương với sức khỏe thể chất và tinh thần, đưa ra những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để chữa lành và phục hồi.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
Hơi thở: Khoa học mới về nghệ thuật đã mất
bởi James Nestor
Cuốn sách này khám phá khoa học và thực hành thở, cung cấp những hiểu biết sâu sắc và kỹ thuật để cải thiện sức khỏe thể chất và tinh thần.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
Nghịch lý thực vật: Nguy cơ tiềm ẩn trong thực phẩm "lành mạnh" gây bệnh và tăng cân
của Steven R. Gundry
Cuốn sách này khám phá mối liên hệ giữa chế độ ăn uống, sức khỏe và bệnh tật, đưa ra những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để cải thiện sức khỏe tổng thể và sức khỏe.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
Mã miễn dịch: Mô hình mới cho sức khỏe thực sự và chống lão hóa triệt để
bởi Joel Greene
Cuốn sách này đưa ra một quan điểm mới về sức khỏe và khả năng miễn dịch, dựa trên các nguyên tắc biểu sinh và đưa ra những hiểu biết sâu sắc cũng như chiến lược để tối ưu hóa sức khỏe và lão hóa.
Bấm để biết thêm thông tin hoặc đặt hàng
Hướng dẫn hoàn chỉnh về nhịn ăn: Chữa lành cơ thể thông qua nhịn ăn gián đoạn, luân phiên và kéo dài
bởi Tiến sĩ Jason Fung và Jimmy Moore
Cuốn sách này khám phá khoa học và thực hành nhịn ăn, cung cấp những hiểu biết sâu sắc và chiến lược để cải thiện sức khỏe tổng thể và sức khỏe.
