Onderzoekers maken synthetisch kraakbeen met zelfde sterkte als echt kraakbeen

Amerikaanse onderzoekers hebben met het materiaal Kevlar synthetisch kraakbeen gemaakt dat net zo sterk is als echt kraakbeen. Het zou mensen met gewrichtsproblemen of die net een gewrichtsoperatie hebben ondergaan, sneller op de been kunnen helpen.

Er was tot nu toe nog niet geen materiaal gevonden dat net zo sterk is als het kraakbeen in ons lichaam. Onderzoekers van de University of Michigan, die samenwerkten met de Jiangan University, denken nu wel een materiaal ontwikkeld te hebben dat daaraan kan voldoen. Daarvoor gebruikten ze het polymeer Kevlar, dat onder de aramiden valt. Kevlar wordt onder meer in kogelwerende vesten gebruikt en is dan ook een zeer sterk materiaal. Het vormt de basis voor de hydrogel, de Kevlartilate, die onderzoekers van de University of Michigan hebben ontwikkeld. Het lijkt erop dat dit materiaal net zoveel druk kan weerstaan als echt kraakbeen. 

Water

In natuurlijk kraakbeen krijgt het netwerk van eiwitten en andere biomoleculen zijn kracht door weerstand te bieden aan de stroom water in zijn kamers. De druk van het water herconfigureert het netwerk, waardoor het kan vervormen zonder te breken. Water komt vrij in het proces en het netwerk herstelt zich door water later weer te absorberen. Dit mechanisme stelt gewrichten die veel druk krijgen, zoals knieën, in staat om weerstand te bieden.

‘We weten dat we voornamelijk uit water bestaan – dat geldt voor al het leven – en toch hebben onze lichamen veel structurele stabiliteit’, zegt Nicholas Kotov, degene die de studie leidde. ‘Kraakbeen goed begrijpen betekent begrijpen hoe levensvormen eigenschappen kunnen combineren die soms niet lijken samen te gaan.’

Juiste combinatie

Bestaande variaties van synthetisch kraakbeen – die al klinische testen ondergaan – bestaan enerzijds uit materiaal dat niet de onwaarschijnlijke combinatie tussen kracht en waterinhoud kan vinden en anderszijds synthetische materialen die niet genoeg water bevatten om de voedingsstoffen te transporteren die cellen nodig hebben, zo stelt Kortov. Daarom kunnen ze niet geïmplenteerd worden in het lichaam.

Hydrogels – die water kunnen opnemen in een netwerk van lange, flexibele moleculen – kunnen met genoeg water zo ontworpen worden dat ze de groei van de chondrocyten cellen kunnen ondersteunen die het natuurlijke kraakbeen versterken. Die hydrogels zijn echter niet sterk genoeg en kunnen lang niet zoveel druk als echt kraakbeen aan.

De Kevlartilage (van Kevlar en cartilage) dat de wetenschappers ontwikkelden, bestaat uit een mix van Kevlar-nanovezels en polyvinylalcohol (PVA). Het gebruikt hetzelfde mechanisme als natuurlijk kraakbeen; het vrijgeven van water onder druk en later herstellen door water als een spons te absorberen. De aramide nanovezels bouwen het kader van het materiaal, terwijl de PVA het water in het netwerk opslaat als het materiaal wordt blootgesteld aan rek of samenpersing. Zelfs versies van het materiaal die voor 92 procent uit water bestonden waren vergelijkbaar met de sterkte van natuurlijk kraakbeen, terwijl de 70 procent water bevattende versie dezelfde veerkracht als rubber bleek te hebben.

Patent

De Kevlar-vezels en de PVA zijn niet schadelijk voor omliggende cellen. Daarom denken de onderzoekers dat dit kraakbeen een geschikt implantaat is in de dieper gelegen plekken van de knie. Hoofdonderzoeker Nicholas Kotov hoopt zelfs op een hybridevorm van het kraakbeen, wanneer de natuurlijke kraakbeencellen zich in het kunstmatige netwerk gaan nestelen.

De wetenschappers willen een patent gaan aanvragen op hun technologische en op het oog baanbrekende idee. Ook zoeken ze partners om het kunstmatige kraakbeen op de markt te brengen. 

Door: Kelly Bakker

Bron: University of Michigan/Kijk
Foto: Joseph Xu, Michigan Engineering