실험실에서 만든 무릎 연골이 실제보다 낫다

: By 로빈 스미스

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교체 무릎 연골 8 16
실험실에서 만든 새로운 무릎 연골은 26개의 그랜드 피아노를 열쇠 고리에 매달아 놓는 것과 같이 자연 연골보다 66% 더 강하고 압축은 XNUMX% 더 강합니다. 이는 우표에 자동차를 주차하는 것과 같습니다. (신용 거래: 다니엘 틸/언스플래쉬)

새로운 연구에 따르면 새로운 젤 기반 무릎 연골 대체물은 실제보다 더 강하고 내구성이 있습니다.

처방전 없이 구입할 수 있는 진통제, 물리 치료, 스테로이드 주사 등 일부 사람들은 이 모든 것을 시도했지만 여전히 무릎 통증을 겪고 있습니다.

종종 무릎 통증은 점진적인 마모로 인해 발생합니다. 연골 전 세계적으로 성인 867명 중 거의 XNUMX명(XNUMX억 XNUMX만 명)에 영향을 미치는 골관절염으로 알려져 있습니다. 무릎 관절 전체를 교체하는 것을 피하고자 하는 사람들에게 새로운 연골은 곧 환자가 빠르고 통증 없이 발을 회복하고 그 상태를 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

저널에보고 된 고급 기능성 재료, 기계적 테스트를 통해 물을 흡수하는 폴리머로 만들어진 물질인 하이드로겔이 자연 연골보다 더 큰 힘으로 누르고 당길 수 있으며 마모에 대한 저항력이 XNUMX배 더 높은 것으로 나타났습니다.

이 재료로 만든 임플란트는 현재 Sparta Biomedical에서 개발 중이며 양에서 테스트 중입니다. 연구자들은 내년에 인간을 대상으로 한 임상 시험을 시작할 준비를 하고 있습니다.

기계공학 및 재료과학 교수인 켄 갈(Ken Gall)과 함께 연구를 이끈 듀크대학교 화학 교수 벤자민 와일리(Benjamin Wiley)는 “모든 것이 계획대로 진행된다면 임상시험은 빠르면 2023년 XNUMX월에 시작될 것”이라고 말했다.

자연 무릎 연골

이 재료를 만들기 위해 팀은 얇은 셀룰로오스 섬유 시트를 가지고 폴리비닐 알코올(반복 분자의 끈끈한 사슬로 구성된 점성 끈적임)이라는 폴리머를 주입하여 젤을 형성했습니다.

셀룰로오스 섬유는 다음과 같은 역할을 합니다. 콜라겐 섬유 Wiley는 자연 연골에서 늘어졌을 때 젤 강도를 제공한다고 말합니다. 폴리비닐알코올은 원래의 모양으로 돌아가도록 도와줍니다. 그 결과 60%가 수분인 젤로 같은 소재로 유연하면서도 놀라울 정도로 강합니다.

자연 연골은 한계점에 도달하기 전에 각각 인치당 무려 5,800~8,500파운드의 잡아당김과 찌그러짐을 견딜 수 있습니다. 실험실에서 만든 버전은 훨씬 더 많은 것을 처리할 수 있는 최초의 하이드로겔입니다. 이것은 26개의 그랜드 피아노를 열쇠 고리에 매달아 놓는 것과 같이 자연 연골보다 66% 더 강하고 압축에서는 XNUMX% 더 강합니다. 이는 우표에 자동차를 주차하는 것과 같습니다.

Wiley는 "하이드로겔 강도 측면에서 차트에서 벗어났습니다."라고 말합니다.

팀은 이미 놀라운 특성을 가진 하이드로겔을 만들었습니다. 2020년에는 최초의 하이드로겔을 만들었다고 보고했습니다. 무릎에 충분히 강하다, 걸을 때마다 체중의 XNUMX~XNUMX배의 힘이 느껴진다.

그러나 젤을 연골 대체물로 실제 사용하는 것은 추가적인 설계 문제를 야기했습니다. 하나는 연골의 힘의 상한선에 도달하는 것이었다. 뛰기, 돌진하기 또는 계단 오르기와 같은 활동은 무릎 연골에 약 10 메가파스칼 또는 제곱인치당 약 1,400파운드의 압력을 가합니다. 그러나 조직은 부서지기까지 최대 XNUMX배까지 걸릴 수 있습니다. Wiley는 “우리는 개선의 여지가 있다는 것을 알고 있었습니다.

무릎 임플란트는 영원하지 않다

과거에 더 강한 하이드로겔을 만들려는 연구원들은 동결-해동 과정을 사용하여 겔 내에 결정을 생성하여 물을 내보내고 폴리머 사슬을 함께 유지하는 데 도움을 주었습니다. 새로운 연구에서 연구원들은 하이드로겔을 동결 및 해동하는 대신 어닐링이라고 하는 열처리를 사용하여 폴리머 네트워크 내에서 더 많은 결정을 형성하도록 유도했습니다.

결정 함량을 높임으로써 연구원들은 동결-해동 방법에 비해 잡아당기는 데 따른 스트레스는 XNUMX배, 압착은 거의 XNUMX배 이상 견딜 수 있는 젤을 생산할 수 있었습니다. 열처리된 젤의 향상된 강도는 두 번째 설계 과제인 접합부에 고정하고 제자리에 고정되도록 하는 데에도 도움이 되었습니다.

연골은 뼈의 끝을 덮는 얇은 층을 형성하여 서로 마찰되지 않습니다. 이전 연구에서는 하이드로겔이 부러지거나 미끄러지지 않도록 충분한 강도로 뼈나 연골에 직접 하이드로겔을 부착할 수 없었습니다. 그래서 Duke 팀은 다른 접근 방식을 생각해 냈습니다.

부착 방법은 하이드로겔을 접착하고 고정하는 것입니다. 티탄 베이스. 그런 다음 이를 눌러 손상된 연골이 있던 구멍에 고정합니다. 테스트에 따르면 디자인은 뼈에 있는 자연 연골보다 68% 더 단단하게 고정되어 있습니다.

Wiley는 "무릎 임플란트의 또 다른 문제는 임플란트 자체와 반대쪽 연골 모두가 시간이 지남에 따라 마모된다는 것입니다."라고 말합니다.

'치료법의 극적인 변화'

다른 연구자들은 손상된 연골을 금속이나 폴리에틸렌으로 만든 무릎 임플란트로 교체하려고 시도했지만 이러한 재료는 연골보다 더 단단하기 때문에 무릎의 다른 부분에 마찰을 일으킬 수 있습니다.

마모 테스트에서 연구원들은 인공 연골과 자연 연골을 가지고 걸을 때 무릎이 경험하는 것과 유사한 압력으로 서로를 백만 번 회전했습니다.

마이크로 컴퓨터 단층촬영(micro-CT)이라고 하는 고해상도 X선 스캐닝 기술을 사용하여 과학자들은 실험실에서 만든 버전의 표면이 실제보다 XNUMX배 더 우수하다는 것을 발견했습니다. 그러나 하이드로겔은 실제 연골의 부드럽고 미끄럽고 쿠션 같은 성질을 모방하기 때문에 다른 관절 표면이 임플란트에 대해 미끄러질 때 마찰로부터 보호합니다.

천연 연골은 내구성이 뛰어난 재료입니다. 그러나 일단 손상되면 혈관이 없기 때문에 치유 능력이 제한적이라고 Wiley는 말합니다.

미국에서는, 관절염 오늘날은 XNUMX년 전보다 두 배나 일반적입니다. 수술은 보존적 치료가 실패할 때 선택할 수 있는 옵션입니다. 수십 년 동안 외과의 사는 느슨한 연골을 제거하거나 새로운 성장을 자극하기 위해 구멍을 뚫거나 기증자의 건강한 연골을 이식하는 것과 같은 최소 침습적 접근 방식을 개발했습니다. 그러나 이러한 모든 방법은 수개월의 재활이 필요하며 일부는 시간이 지남에 따라 실패합니다.

일반적으로 최후의 수단으로 간주되는 전체 무릎 교체는 통증을 완화하는 입증된 방법입니다. 그러나 인공 관절도 영원하지 않습니다. 특히 다시 교체해야 하는 장치에 대한 대수술을 피하려는 젊은 환자의 경우 Wiley는 "별로 좋은 옵션이 없습니다."라고 말합니다.

Wiley는 "이 단계에 있는 사람들의 치료에 극적인 변화가 있을 것이라고 생각합니다."라고 말합니다.

Sparta Biomedical과 Duke University의 Shared Materials Instrumentation Facility가 이 작업에 자금을 지원했습니다. Wiley와 Gall은 Sparta Biomedical의 주주입니다.

출처: 듀크 대학