Достижения в создании искусственного хряща

Группа исследователей из Университета Дьюка (Duke University, США), разработала новый улучшенный способ создания искусственного хряща.

Сочетание двух инновационных технологий, в разработке которых принимали участие Фаршид Жилак (Farshid Guilak), профессор ортопедической хирургии и биомедицинской инженерии, и Сюан Жао (Xuanhe Zhao), доцент механической инженерии и материаловедения, привело авторов к разработке способа создания искусственной заместительной ткани, воспроизводящей силу и упругость естественного хряща.
Результаты исследования будут опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Суставной хрящ является тканью, покрывающей головки костей, где они образуют суставы – в коленях, плечах, бедрах и т.д. С течением времени ткань может разрушаться или повреждаться в результате травм или перегрузок, вызывая боль и ограничивая подвижность сустава. При том, что замещение ткани могло бы принести облегчение миллионам людей, воссоздание характеристик настоящего хряща, прочного и выносливого, гладкого и мягкого, является серьезной задачей для исследователей.

В 2007 г. Жилак и его группа разработали трехмерный тканевой остов, в который можно инъецировать стволовые клетки, успешно разрастающиеся в ткань суставного хряща. Созданный из крошечных тканых волокон, каждый из 7 слоев остова имеет толщину человеческого волоса. Итоговая конструкция имеет толщину 1 мм.

С того момента основной задачей стала разработка подходящей среды для заполнения пустого пространства остова, которая была бы способна выдерживать компрессионную нагрузку, обеспечивала смазку поверхностей суставов и поддерживала рост стволовых клеток в системе. Материалы, смягчающие достаточно, чтобы симулировать естественный хрящ, являются слишком легко сдавливаемыми и хрупкими для роста в суставах и сопротивления нагрузке. Прочные субстанции недостаточно гладкие и гибкие.

Решение задачи нашлось в результате сотрудничества с Сюан Жао.

Ученый предложил теорию для создания надежных гидрогелей (полимерных гелей на основе воды) и в 2012 г. при сотрудничестве с группой исследователей из Гарвардского Университета (Harvard University, США) разработал исключительно крепкий и при этом гибкий гидрогель, представляющий собой взаимопроникающую сеть.

«Он достаточно жесткий, гибкий, формуемый и, кроме того, обладает свойствами смазки, - говорит Жао, - Он сочетает все механические свойства настоящего хряща и может противостоять износу без повреждения».

Жао и Жилак начали работать над внедрением гидрогеля в тканевый трехмерный остов посредством процесса, который Жао сравнил с разливанием бетона по стальному каркасу.

В своих экспериментах исследователи сравнили полученный композитный материал с другими гидрогелями, разработанными Жилаком ранее. Эксперименты показали, что изобретение Жао было прочнее и с более низким коэффициентом сжатия. И, несмотря на то, что полученный материал не вполне удовлетворяет стандартам естественного хряща, он легко превосходит все другие известные потенциальные искусственные заместители без исключений.

«С точки зрения механики эта технология решает вопросы, которые ставят другие типы синтетических хрящей, - говорит Жао, основатель Лаборатории Мягких Активных Материалов при Герцогском Университете, - Это многообещающий кандидат в искусственные хрящи в будущем».

Исследователи полагают, что их следующим шагом, вероятно, станет имплантация небольших кусочков синтетического хряща в модельных животных.

Крошечные взаимопроникающие фибриллы превращают трехмерный тканый остов в прочный, но гибкий гидрогель, в который вводятся стволовые клетки, формируя основу для роста хряща. Это изображение станет обложкой журнала Advanced Functional Materials, в котором будут опубликованы результаты работы. (фото: Photo courtesy of Frank Moutos and Farshid Guilak)

По материалам Duke University

Оригинальная статья:
I-Chien Liao, Franklin T. Moutos, Bradley T. Estes, Xuanhe Zhao, Farshid Guilak. Composite Three-Dimensional Woven Scaffolds with Interpenetrating Network Hydrogels to Create Functional Synthetic Articular Cartilage. Advanced Functional Materials, 2013; 23 (47): 5833 DOI: 10.1002/adfm.201300483