Een nieuw in het laboratorium gemaakt kniekraakbeen is 26% sterker dan natuurlijk kraakbeen in spanning, zoiets als het ophangen van zeven vleugels aan een sleutelhanger, en 66% sterker in compressie - wat zou zijn als het parkeren van een auto op een postzegel. (Credit: Daniel Thiele/Unsplash)
Een nieuwe op gel gebaseerde vervanging van kniekraakbeen is sterker en duurzamer dan het echte werk, volgens een nieuwe studie.
Vrij verkrijgbare pijnstillers, fysiotherapie, steroïde-injecties - sommige mensen hebben het allemaal geprobeerd en hebben nog steeds te maken met kniepijn.
Vaak komt kniepijn voort uit de progressieve slijtage van kraakbeen bekend als artrose, die wereldwijd bijna een op de zes volwassenen treft - 867 miljoen mensen. Voor degenen die willen voorkomen dat het hele kniegewricht wordt vervangen, kan het nieuwe kraakbeen patiënten binnenkort helpen snel en pijnvrij weer op de been te komen en dat ook te blijven.
Zoals vermeld in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen, blijkt uit mechanische testen dat de hydrogel - een materiaal gemaakt van waterabsorberende polymeren - met meer kracht kan worden ingedrukt en getrokken dan natuurlijk kraakbeen en drie keer beter bestand is tegen slijtage.
Implantaten gemaakt van het materiaal worden momenteel ontwikkeld door Sparta Biomedical en getest bij schapen. Onderzoekers maken zich op om volgend jaar met klinische proeven bij mensen te beginnen.
"Als alles volgens plan verloopt, zou de klinische proef al in april 2023 moeten beginnen", zegt Benjamin Wiley, een professor scheikunde aan de Duke University die het onderzoek leidde samen met Ken Gall, een professor in werktuigbouwkunde en materiaalkunde.
Natuurlijk kniekraakbeen
Om dit materiaal te maken, nam het team dunne vellen cellulosevezels en doordrenkte ze met een polymeer genaamd polyvinylalcohol - een stroperige goo bestaande uit draderige ketens van zich herhalende moleculen - om een gel te vormen.
De cellulosevezels werken als de collageenvezels in natuurlijk kraakbeen, zegt Wiley - ze geven de gel kracht wanneer ze worden uitgerekt. De polyvinylalcohol helpt het terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm. Het resultaat is een Jello-achtig materiaal, 60% water, dat soepel en toch verrassend sterk is.
Natuurlijk kraakbeen kan maar liefst 5,800 tot 8,500 pond per inch aan trekken en knijpen weerstaan, voordat het zijn breekpunt bereikt. De in het laboratorium gemaakte versie is de eerste hydrogel die nog meer aankan. Het is 26% sterker dan natuurlijk kraakbeen in spanning, zoiets als het ophangen van zeven vleugels aan een sleutelhanger, en 66% sterker in compressie - wat zou zijn als het parkeren van een auto op een postzegel.
"Het is echt buiten de hitlijsten in termen van hydrogelsterkte", zegt Wiley.
Het team heeft al hydrogels gemaakt met opmerkelijke eigenschappen. In 2020 meldden ze dat ze de eerste hydrogel hadden gemaakt sterk genoeg voor knieën, die bij elke stap de kracht van twee tot drie keer het lichaamsgewicht voelen.
Het praktisch gebruik van de gel als kraakbeenvervanging bracht echter extra ontwerpuitdagingen met zich mee. Een daarvan was het bereiken van de bovengrenzen van de kracht van kraakbeen. Activiteiten zoals hoppen, uitvallen of traplopen oefenen zo'n 10 Megapascal druk uit op het kraakbeen in de knie, of ongeveer 1,400 pond per vierkante inch. Maar het weefsel kan tot vier keer zo lang duren voordat het breekt. "We wisten dat er ruimte was voor verbetering", zegt Wiley.
Knie-implantaten gaan niet eeuwig mee
In het verleden gebruikten onderzoekers die sterkere hydrogels probeerden te maken een vries-dooiproces om kristallen in de gel te produceren, die water verdrijven en helpen de polymeerketens bij elkaar te houden. In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers in plaats van de hydrogel te bevriezen en te ontdooien, een warmtebehandeling die gloeien wordt genoemd om nog meer kristallen te laten ontstaan in het polymeernetwerk.
Door het kristalgehalte te verhogen, konden de onderzoekers een gel produceren die bestand is tegen vijf keer zoveel stress door trekken en bijna twee keer zoveel knijpen in vergelijking met vries-dooi-methoden. De verbeterde sterkte van de gegloeide gel hielp ook bij het oplossen van een tweede ontwerpuitdaging: het aan de verbinding bevestigen en ervoor zorgen dat het blijft zitten.
Kraakbeen vormt een dunne laag die de uiteinden van botten bedekt, zodat ze niet tegen elkaar schuren. Eerdere studies waren niet in staat om hydrogels rechtstreeks aan bot of kraakbeen te bevestigen met voldoende sterkte om te voorkomen dat ze losraken of wegglijden. Dus het Duke-team kwam met een andere aanpak.
Hun bevestigingsmethode omvat het cementeren en vastklemmen van de hydrogel aan een titanium baseren. Dit wordt vervolgens geperst en verankerd in een gat waar vroeger het beschadigde kraakbeen zat. Tests tonen aan dat het ontwerp 68% steviger blijft zitten dan natuurlijk kraakbeen op bot.
"Een andere zorg voor knie-implantaten is slijtage in de loop van de tijd, zowel van het implantaat zelf als het tegenoverliggende kraakbeen", zegt Wiley.
'Een dramatische verandering in behandeling'
Andere onderzoekers hebben geprobeerd beschadigd kraakbeen te vervangen door knie-implantaten van metaal of polyethyleen, maar omdat deze materialen stijver zijn dan kraakbeen, kunnen ze tegen andere delen van de knie schuren.
In slijtagetesten namen de onderzoekers kunstkraakbeen en natuurlijk kraakbeen en draaiden ze een miljoen keer tegen elkaar, met een druk vergelijkbaar met wat de knie ervaart tijdens het lopen.
Met behulp van een röntgenscantechniek met hoge resolutie genaamd microcomputertomografie (micro-CT), ontdekten de wetenschappers dat het oppervlak van hun in het laboratorium gemaakte versie drie keer beter standhield dan het echte werk. Maar omdat de hydrogel de gladde, gladde, kussenachtige aard van echt kraakbeen nabootst, beschermt het andere gewrichtsoppervlakken tegen wrijving als ze tegen het implantaat glijden.
Natuurlijk kraakbeen is opmerkelijk duurzaam spul. Maar eenmaal beschadigd, heeft het een beperkt vermogen om te genezen omdat het geen bloedvaten heeft, zegt Wiley.
In de Verenigde Staten, osteoartritis komt tegenwoordig twee keer zo vaak voor als een eeuw geleden. Chirurgie is een optie wanneer conservatieve behandelingen falen. In de afgelopen decennia hebben chirurgen een aantal minimaal invasieve benaderingen ontwikkeld, zoals het verwijderen van los kraakbeen, het maken van gaten om nieuwe groei te stimuleren of het transplanteren van gezond kraakbeen van een donor. Maar al deze methoden vereisen maanden van revalidatie, en een percentage van hen faalt na verloop van tijd.
Over het algemeen beschouwd als een laatste redmiddel, is totale knievervanging een bewezen manier om pijn te verlichten. Maar kunstmatige gewrichten gaan ook niet eeuwig mee. Vooral voor jongere patiënten die een grote operatie willen vermijden voor een apparaat dat later alleen maar opnieuw hoeft te worden vervangen, zegt Wiley: "Er zijn gewoon niet erg goede opties die er zijn."
"Ik denk dat dit een dramatische verandering in de behandeling van mensen in dit stadium zal zijn", zegt Wiley.
Sparta Biomedical en de Shared Materials Instrumentation Facility aan de Duke University financierden het werk. Wiley en Gall zijn aandeelhouders van Sparta Biomedical.
Bron: Duke University
Related Books:
Het lichaam houdt de score bij: Brain Mind and Body in the Healing of Trauma
door Bessel van der Kolk
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen trauma en fysieke en mentale gezondheid en biedt inzichten en strategieën voor genezing en herstel.
Klik voor meer info of om te bestellen
Adem: de nieuwe wetenschap van een verloren kunst
door James Nestor
Dit boek verkent de wetenschap en praktijk van ademhalen en biedt inzichten en technieken voor het verbeteren van de fysieke en mentale gezondheid.
Klik voor meer info of om te bestellen
De plantenparadox: de verborgen gevaren van 'gezond' voedsel dat ziekten en gewichtstoename veroorzaakt
door Steven R. Gundry
Dit boek onderzoekt de verbanden tussen voeding, gezondheid en ziekte en biedt inzichten en strategieën om de algehele gezondheid en het welzijn te verbeteren.
Klik voor meer info of om te bestellen
De immuniteitscode: het nieuwe paradigma voor echte gezondheid en radicale antiveroudering
door Joël Greene
Dit boek biedt een nieuw perspectief op gezondheid en immuniteit, gebaseerd op principes van epigenetica en biedt inzichten en strategieën voor het optimaliseren van gezondheid en veroudering.
Klik voor meer info of om te bestellen
De complete gids voor vasten: genees uw lichaam door middel van intermitterend, afwisselende dagen en langdurig vasten
door dr. Jason Fung en Jimmy Moore
Dit boek onderzoekt de wetenschap en praktijk van vasten en biedt inzichten en strategieën voor het verbeteren van de algehele gezondheid en welzijn.
