Im Labor hergestellter Knieknorpel schlägt das Original

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Ein neuer, im Labor hergestellter Knieknorpel ist 26 % stärker als natürlicher Knorpel unter Spannung, etwa so, als würden sieben Flügel an einem Schlüsselring aufgehängt, und 66 % stärker unter Druck – was so wäre, als würde man ein Auto auf einer Briefmarke parken. (Anerkennung: Daniel Thiele/Unsplash)

Laut einer neuen Studie ist ein neuer Knieknorpelersatz auf Gelbasis stärker und haltbarer als das Original.

Over-the-Counter-Schmerzmittel, Physiotherapie, Steroidinjektionen – einige Menschen haben alles versucht und haben immer noch mit Knieschmerzen zu kämpfen.

Knieschmerzen entstehen oft durch den fortschreitenden Verschleiß Knorpel- bekannt als Osteoarthritis, die fast einen von sechs Erwachsenen – 867 Millionen Menschen – weltweit betrifft. Wer auf den Ersatz des kompletten Kniegelenks verzichten möchte, dem könnte der neue Knorpel schon bald helfen, schnell und schmerzfrei wieder auf die Beine zu kommen und es auch zu bleiben.

Wie in der Zeitschrift berichtet Fortgeschrittene Funktionsmaterialien, mechanische Tests zeigen, dass das Hydrogel – ein Material aus wasserabsorbierenden Polymeren – mit mehr Kraft gepresst und gezogen werden kann als natürlicher Knorpel und dreimal widerstandsfähiger gegen Verschleiß ist.

Implantate aus dem Material werden derzeit von Sparta Biomedical entwickelt und an Schafen getestet. Die Forscher bereiten sich darauf vor, nächstes Jahr mit klinischen Studien am Menschen zu beginnen.

„Wenn alles nach Plan läuft, sollte die klinische Studie bereits im April 2023 beginnen“, sagt Benjamin Wiley, Chemieprofessor an der Duke University, der die Forschung zusammen mit Ken Gall, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, leitete.

Natürlicher Knieknorpel

Um dieses Material herzustellen, nahm das Team dünne Folien aus Zellulosefasern und infundierte sie mit einem Polymer namens Polyvinylalkohol – einer viskosen Schmiere, die aus fadenförmigen Ketten sich wiederholender Moleküle besteht – um ein Gel zu bilden.

Die Zellulosefasern wirken wie die Kollagenfasern in natürlichem Knorpel, sagt Wiley – sie geben dem Gel Festigkeit, wenn es gedehnt wird. Der Polyvinylalkohol hilft ihm, in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Das Ergebnis ist ein Jello-ähnliches Material, 60 % Wasser, das geschmeidig und dennoch überraschend stark ist.

Natürlicher Knorpel kann satte 5,800 bis 8,500 Pfund pro Zoll Zerren und Quetschen aushalten, bevor er seinen Bruchpunkt erreicht. Die im Labor hergestellte Version ist das erste Hydrogel, das noch mehr kann. Es ist 26 % stärker als natürlicher Knorpel unter Spannung, etwa so, als würden sieben Flügel an einem Schlüsselring aufgehängt, und 66 % stärker unter Druck – was so wäre, als würde man ein Auto auf einer Briefmarke parken.


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„In Bezug auf die Stärke des Hydrogels ist es wirklich aus den Charts“, sagt Wiley.

Das Team hat bereits Hydrogele mit bemerkenswerten Eigenschaften hergestellt. Im Jahr 2020 berichteten sie, dass sie das erste Hydrogel hergestellt hatten stark genug für die Knie, die bei jedem Schritt die Kraft des zwei- bis dreifachen Körpergewichts spüren.

Die praktische Anwendung des Gels als Knorpelersatz brachte jedoch zusätzliche Designherausforderungen mit sich. Einer erreichte die oberen Grenzen der Knorpelstärke. Aktivitäten wie Hüpfen, Ausfallschritte oder Treppensteigen üben einen Druck von etwa 10 Megapascal auf den Knorpel im Knie oder etwa 1,400 Pfund pro Quadratzoll aus. Aber das Gewebe kann bis zu viermal so viel aushalten, bevor es reißt. „Wir wussten, dass es Raum für Verbesserungen gab“, sagt Wiley.

Knieimplantate halten nicht ewig

In der Vergangenheit verwendeten Forscher, die versuchten, stärkere Hydrogele herzustellen, einen Gefrier-Tau-Prozess, um Kristalle innerhalb des Gels zu erzeugen, die Wasser austreiben und dazu beitragen, die Polymerketten zusammenzuhalten. In der neuen Studie verwendeten die Forscher anstelle des Einfrierens und Auftauens des Hydrogels eine Wärmebehandlung namens Glühen, um noch mehr Kristalle zur Bildung innerhalb des Polymernetzwerks zu bringen.

Durch Erhöhung des Kristallgehalts konnten die Forscher ein Gel herstellen, das im Vergleich zu Gefrier-Tau-Methoden fünfmal so viel Belastung durch Ziehen und fast doppelt so viel Quetschen standhält. Die verbesserte Festigkeit des getemperten Gels trug auch dazu bei, eine zweite Designherausforderung zu lösen: es an der Verbindung zu befestigen und dafür zu sorgen, dass es an Ort und Stelle bleibt.

Knorpel bildet eine dünne Schicht, die die Knochenenden bedeckt, damit sie nicht aneinander reiben. Frühere Studien waren nicht in der Lage, Hydrogele direkt an Knochen oder Knorpel mit ausreichender Festigkeit zu befestigen, um zu verhindern, dass sie sich lösen oder abrutschen. Also entwickelte das Duke-Team einen anderen Ansatz.

Ihre Befestigungsmethode beinhaltet das Zementieren und Klemmen des Hydrogels an a Titan Base. Dieser wird dann in ein Loch gepresst und dort verankert, wo früher der beschädigte Knorpel war. Tests zeigen, dass das Design 68 % fester befestigt bleibt als natürlicher Knorpel am Knochen.

„Ein weiteres Problem bei Knieimplantaten ist der Verschleiß im Laufe der Zeit, sowohl des Implantats selbst als auch des gegenüberliegenden Knorpels“, sagt Wiley.

„Eine dramatische Veränderung in der Behandlung“

Andere Forscher haben versucht, beschädigten Knorpel durch Knieimplantate aus Metall oder Polyethylen zu ersetzen, aber da diese Materialien steifer als Knorpel sind, können sie an anderen Teilen des Knies scheuern.

In Verschleißtests haben die Forscher künstlichen Knorpel und natürlichen Knorpel millionenfach gegeneinander geschleudert, mit einem Druck ähnlich dem, den das Knie beim Gehen erfährt.

Mithilfe einer hochauflösenden Röntgenscantechnik namens Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) stellten die Wissenschaftler fest, dass die Oberfläche ihrer im Labor hergestellten Version dreimal besser standhielt als die echte. Da das Hydrogel jedoch die glatte, schlüpfrige und polsternde Natur von echtem Knorpel nachahmt, schützt es andere Gelenkoberflächen vor Reibung, wenn sie gegen das Implantat gleiten.

Natürlicher Knorpel ist ein bemerkenswert langlebiges Material. Aber einmal beschädigt, hat es eine begrenzte Fähigkeit zu heilen, weil es keine Blutgefäße hat, sagt Wiley.

In den Vereinigten Staaten, Arthrose ist heute doppelt so häufig wie noch vor einem Jahrhundert. Eine Operation ist eine Option, wenn konservative Behandlungen versagen. Im Laufe der Jahrzehnte haben Chirurgen eine Reihe von minimalinvasiven Ansätzen entwickelt, wie z. B. das Entfernen von losem Knorpel oder das Bohren von Löchern, um neues Wachstum zu stimulieren, oder das Transplantieren von gesundem Knorpel von einem Spender. Aber alle diese Methoden erfordern eine monatelange Reha, und einige Prozent von ihnen versagen im Laufe der Zeit.

Der totale Kniegelenkersatz gilt allgemein als letzter Ausweg und ist eine bewährte Methode zur Schmerzlinderung. Aber auch künstliche Gelenke halten nicht ewig. Besonders für jüngere Patienten, die eine größere Operation für ein Gerät vermeiden möchten, das später nur noch ersetzt werden muss, sagt Wiley, „gibt es einfach keine sehr guten Optionen da draußen.“

„Ich denke, dass dies eine dramatische Veränderung in der Behandlung von Menschen in diesem Stadium sein wird“, sagt Wiley.

Sparta Biomedical und die Shared Materials Instrumentation Facility an der Duke University finanzierten die Arbeit. Wiley und Gall sind Aktionäre von Sparta Biomedical.

Quelle: Duke University


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