يعتبر غضروف الركبة الجديد المصنوع في المختبر أقوى بنسبة 26٪ من الغضروف الطبيعي المتوتر ، وهو شيء مثل تعليق سبع آلات بيانو كبيرة من حلقة رئيسية ، وأقوى بنسبة 66٪ في الضغط - وهو ما يشبه إيقاف السيارة على طابع بريدي. (تنسب إليه: دانيال ثيل / أنسبلاش)
أظهرت دراسة جديدة أن بديلًا جديدًا لغضروف الركبة يعتمد على الهلام أقوى وأكثر متانة من الشيء الحقيقي.
مسكنات الآلام التي لا تستلزم وصفة طبية ، والعلاج الطبيعي ، وحقن الستيرويد - جرب بعض الأشخاص كل ذلك وما زالوا يعانون من آلام الركبة.
غالبًا ما يأتي ألم الركبة من التآكل التدريجي غضروف المعروف باسم هشاشة العظام ، والذي يصيب ما يقرب من واحد من كل ستة بالغين - 867 مليون شخص - في جميع أنحاء العالم. بالنسبة لأولئك الذين يرغبون في تجنب استبدال مفصل الركبة بالكامل ، يمكن أن يساعد الغضروف الجديد المرضى قريبًا على الوقوف على أقدامهم بسرعة وخالية من الألم والبقاء على هذا النحو.
وكما ورد في مجلة المواد الوظيفية المتقدمة، يكشف الاختبار الميكانيكي أن الهيدروجيل - مادة مصنوعة من بوليمرات ماصة للماء - يمكن ضغطها وسحبها بقوة أكبر من الغضروف الطبيعي ، وهي أكثر مقاومة للتآكل والتمزق بثلاث مرات.
يتم حاليًا تطوير الغرسات المصنوعة من المادة بواسطة Sparta Biomedical واختبارها في الأغنام. يستعد الباحثون لبدء التجارب السريرية على البشر العام المقبل.
يقول بنجامين وايلي ، أستاذ الكيمياء في جامعة ديوك الذي قاد البحث جنبًا إلى جنب مع كين غال ، أستاذ الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد: "إذا سار كل شيء وفقًا للخطة ، فيجب أن تبدأ التجربة السريرية في أقرب وقت في أبريل 2023".
غضروف الركبة الطبيعي
لصنع هذه المادة ، أخذ الفريق صفائح رقيقة من ألياف السليلوز وغرسوها ببوليمر يسمى كحول البولي فينيل - مادة لزجة لزجة تتكون من سلاسل متوترة من الجزيئات المتكررة - لتشكيل مادة هلامية.
تعمل ألياف السليلوز مثل ألياف الكولاجين في الغضروف الطبيعي ، كما يقول وايلي - يمنحون الهلام قوة عند التمدد. يساعد كحول البولي فينيل على العودة إلى شكله الأصلي. والنتيجة مادة تشبه الجيلي ، 60٪ ماء ، وهي مرنة لكنها قوية بشكل مدهش.
يمكن للغضروف الطبيعي أن يتحمل ما يقرب من 5,800 إلى 8,500 رطل لكل بوصة من السحب والضغط ، على التوالي ، قبل أن يصل إلى نقطة الانهيار. النسخة المعملية هي أول هيدروجيل يمكنه التعامل مع المزيد. إنه أقوى بنسبة 26٪ من الغضروف الطبيعي في حالة التوتر ، وهو شيء مثل تعليق سبع آلات بيانو كبيرة من حلقة رئيسية ، وأقوى بنسبة 66٪ في الضغط - وهو ما يشبه إيقاف السيارة على طابع بريدي.
يقول وايلي: "إنه حقًا خارج المخططات من حيث قوة الهيدروجيل".
لقد صنع الفريق بالفعل الهلاميات المائية بخصائص رائعة. في عام 2020 ، أفادوا بأنهم صنعوا أول هيدروجيل قوي بما يكفي للركبتين، والتي تشعر بقوة مضاعفة إلى ثلاثة أضعاف وزن الجسم مع كل خطوة.
ومع ذلك ، فإن استخدام الجل في الاستخدام العملي كبديل للغضروف ، قدم تحديات تصميم إضافية. كان أحدهما بلوغ الحدود العليا لقوة الغضروف. تؤدي الأنشطة مثل القفز أو الرئة أو صعود السلالم إلى ضغط 10 ميجاباسكالس على الغضروف في الركبة ، أو حوالي 1,400 رطل لكل بوصة مربعة. لكن الأنسجة يمكن أن تستغرق ما يصل إلى أربعة أضعاف ذلك قبل أن تنكسر. يقول ويلي: "كنا نعلم أن هناك مجالًا للتحسين".
غرسات الركبة لا تدوم إلى الأبد
في الماضي ، استخدم الباحثون الذين كانوا يحاولون إنشاء هيدروجيل أقوى ، عملية تجميد الذوبان لإنتاج بلورات داخل الهلام ، والتي تطرد الماء وتساعد على تماسك سلاسل البوليمر معًا. في الدراسة الجديدة ، بدلاً من تجميد وذوبان الهيدروجيل ، استخدم الباحثون علاجًا حراريًا يسمى التلدين لإقناع المزيد من البلورات لتتشكل داخل شبكة البوليمر.
من خلال زيادة محتوى الكريستال ، تمكن الباحثون من إنتاج مادة هلامية يمكنها تحمل خمسة أضعاف الضغط الناتج عن السحب وما يقرب من ضعف الضغط مقارنة بأساليب التجميد-الذوبان. ساعدت القوة المحسّنة للجيل الملدن أيضًا في حل تحدٍ ثانٍ للتصميم: تأمينه بالمفصل وإبقائه في مكانه.
يشكل الغضروف طبقة رقيقة تغطي نهايات العظام حتى لا تلتصق ببعضها البعض. لم تكن الدراسات السابقة قادرة على ربط الهلاميات المائية مباشرة بالعظام أو الغضروف بقوة كافية لمنعها من الانهيار أو الانزلاق. لذلك توصل فريق Duke إلى نهج مختلف.
تتضمن طريقة الارتباط الخاصة بهم تدعيم وتثبيت هيدروجيل إلى أ التيتانيوم قاعدة. ثم يتم الضغط عليها وتثبيتها في حفرة حيث كان الغضروف التالف. تظهر الاختبارات أن التصميم يبقى مثبتًا بقوة 68٪ أكثر من الغضروف الطبيعي على العظام.
يقول وايلي: "هناك قلق آخر بشأن زراعة الركبة وهو التآكل بمرور الوقت ، سواء من الغرسة نفسها أو الغضروف المقابل".
تغيير جذري في العلاج
حاول باحثون آخرون استبدال الغضروف التالف بزرع الركبة المصنوعة من المعدن أو البولي إيثيلين ، ولكن نظرًا لأن هذه المواد أكثر صلابة من الغضروف ، فقد تتسبب في غضب أجزاء أخرى من الركبة.
في اختبارات التآكل ، أخذ الباحثون غضروفًا اصطناعيًا وغضروفًا طبيعيًا ولفّوهما ضد بعضهما البعض مليون مرة ، بضغط مماثل لما تتعرض له الركبة أثناء المشي.
باستخدام تقنية مسح عالية الدقة بالأشعة السينية تسمى التصوير المقطعي المحوسب (micro-CT) ، وجد العلماء أن سطح نسختهم المصنوعة في المختبر تحمل ثلاث مرات أفضل من الشيء الحقيقي. ومع ذلك ، نظرًا لأن الهيدروجيل يحاكي الطبيعة الملساء والزلقة والوسادة للغضروف الحقيقي ، فإنه يحمي أسطح المفاصل الأخرى من الاحتكاك أثناء انزلاقها ضد الغرسة.
الغضروف الطبيعي مادة متينة بشكل ملحوظ. يقول وايلي إنه بمجرد تعرضه للتلف ، فإن قدرته على الشفاء محدودة لأنه لا يحتوي على أي أوعية دموية.
في الولايات المتحدة، هشاشة العظام هو شائع اليوم مرتين عما كان عليه قبل قرن من الزمان. الجراحة خيار عندما تفشل العلاجات التحفظية. على مدى عقود ، طور الجراحون عددًا من الأساليب قليلة التدخل ، مثل إزالة الغضروف الرخو ، أو عمل ثقوب لتحفيز نمو جديد ، أو زرع غضروف سليم من متبرع. لكن كل هذه الأساليب تتطلب شهورًا من إعادة التأهيل ، وبعضها يفشل بمرور الوقت.
يعتبر الاستبدال الكامل للركبة عمومًا الملاذ الأخير ، وهو طريقة مجربة لتخفيف الألم. لكن المفاصل الاصطناعية لا تدوم إلى الأبد أيضًا. يقول وايلي بشكل خاص للمرضى الأصغر سنًا الذين يرغبون في تجنب إجراء عملية جراحية كبيرة لجهاز يحتاج فقط إلى الاستبدال مرة أخرى في المستقبل ، "لا توجد خيارات جيدة للغاية هناك".
يقول وايلي: "أعتقد أن هذا سيكون تغييرًا جذريًا في علاج الأشخاص في هذه المرحلة".
قامت شركة Sparta Biomedical and Shared Materials Instrumentation في جامعة ديوك بتمويل العمل. وايلي وجال مساهمان في Sparta Biomedical.
المصدر جامعة ديوك
كتب ذات صلة:
الجسم يحافظ على النتيجة: العقل والجسم في شفاء الصدمة
بقلم بيسيل فان دير كولك
يستكشف هذا الكتاب الروابط بين الصدمة والصحة البدنية والعقلية ، ويقدم رؤى واستراتيجيات للشفاء والتعافي.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
التنفس: العلم الجديد لفن ضائع
بواسطة جيمس نيستور
يستكشف هذا الكتاب علم وممارسة التنفس ، ويقدم رؤى وتقنيات لتحسين الصحة البدنية والعقلية.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
مفارقة النبات: الأخطار الخفية في الأطعمة "الصحية" التي تسبب المرض وزيادة الوزن
بواسطة ستيفن ر
يستكشف هذا الكتاب الروابط بين النظام الغذائي والصحة والمرض ، ويقدم رؤى واستراتيجيات لتحسين الصحة والعافية بشكل عام.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
قانون المناعة: النموذج الجديد للصحة الحقيقية ومكافحة الشيخوخة الجذرية
بواسطة جويل جرين
يقدم هذا الكتاب منظورًا جديدًا للصحة والمناعة ، بالاعتماد على مبادئ علم التخلق ويقدم رؤى واستراتيجيات لتحسين الصحة والشيخوخة.
انقر لمزيد من المعلومات أو للطلب
الدليل الكامل للصيام: اشفي جسدك بالصيام المتقطع ، والصيام المتناوب ، والممتد
بقلم الدكتور جيسون فونج وجيمي مور
يستكشف هذا الكتاب علم وممارسة الصيام ويقدم رؤى واستراتيجيات لتحسين الصحة والعافية بشكل عام.
