Steife, schmerzende Knie? Im Labor hergestelltes Knorpelgel übertrifft 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 des Knorpels, bekannt als Osteoarthritis, von der fast jeder sechste Erwachsene – 867 Millionen Menschen – weltweit betroffen ist. Für diejenigen, die den Austausch des gesamten Kniegelenks vermeiden möchten, gibt es möglicherweise bald eine andere Option, die den Patienten helfen könnte, schnell und schmerzfrei wieder auf die Beine zu kommen und dies auch zu bleiben.

Schreiben ins Tagebuch Fortschrittliche Funktionsmaterialiensagt ein von der Duke University geführtes Team, dass es den ersten Gel-basierten Knorpelersatz entwickelt hat, der noch stärker und haltbarer ist als das Original.

Mechanische Tests zeigen, dass das Hydrogel des Duke-Teams – 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“, sagte Benjamin Wiley, Chemieprofessor von Duke, der die Forschung zusammen mit Ken Gall, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, leitete.

Um dieses Material herzustellen, nahm das Duke-Team dünne Blätter 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 im natürlichen Knorpel, sagte Wiley – sie verleihen 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. Ihre im Labor hergestellte Version ist das erste Hydrogel, das noch mehr verarbeiten 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.

„In Bezug auf die Hydrogelstärke ist es wirklich aus den Charts“, sagte Wiley.

Das Team hat bereits Hydrogele mit bemerkenswerten Eigenschaften hergestellt. Im Jahr 2020 berichteten sie, dass sie das erste Hydrogel entwickelt hatten, das stark genug für Knie ist, 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“, sagte Wiley.

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 Festklemmen des Hydrogels an einer Titanbasis. 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“, sagte Wiley.

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, sagte Wiley.

In den Vereinigten Staaten ist Osteoarthritis heute doppelt so häufig als 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. Insbesondere für jüngere Patienten, die eine größere Operation für ein Gerät vermeiden möchten, das später nur noch ersetzt werden muss, sagte Wiley, „es gibt einfach keine sehr guten Optionen da draußen.“

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