Chrząstka stawowa to cienka tkanka zlokalizowana na końcach długich kości. To złożony biomateriał o bardzo niskim współczynniku tarcia.
Dzięki temu tkanka wytrzymuje miliony cykli ruchu stawów przez dziesięciolecia użycia. Niestety chrząstka raz uszkodzona traci swoje mechaniczne właściwości, a następstwem uszkodzenia jest postępująca degeneracja tkanki, która powoduje ból i kalectwo.
Rozwój biomateriałów syntetycznych, które posiadają odpowiednie właściwości mechaniczne naśladujące cechy tkanek rodzimych to duże wyzwanie w dziedzinie materiałów. W szczególności gdy materiał ma zastąpić chrząstkę stawową, która jest materiałem anizotropowym, lepko-sprężystym ułożonym nieliniowo.
Wysiłki zmierzające do naprawy i regeneracji chrząstki stawowej, w leczeniu obrażeń i zapobieganiu zapalenia kości i stawów, często poparte są wykorzystaniem hydrożeli. Główną przeszkodą przy projektowaniu odpowiedniego materiału to dopasowanie charakterystyki i różnych zdolności jak w naturalnej tkance.
Grupa naukowców z Duke University w Północnej Karolinie zbudowała trójwymiarowe rusztowanie z włókien, które uzupełnione hydrożelem, naśladuje nośne i trybologiczne właściwości naturalnej chrząstki.
Hydrożel składający się z kwasu alginowego i poliakrylamidu jest dodawany do porowatego trójwymiarowego szkieletu z włókien polikaprolaktonu, który zapewnia wzmocnienie struktury kompozytowej.
Poliakrylamid (PAM) często używany jest w laboratoriach naukowych np. jako podłoże w elektroforezie w żelu poliakrylamidowym. Kwas alginowy to naturalnie występujący kopolimer kwasu mannurowego i guluronowego. Jest składnikiem ścian komórkowych wielu alg i trawy morskiej. Kwas ten używany jest jako środek żelujący, zarówno w produktach spożywczych (dżemy, galaretki, soki), jak i kosmetykach (żele pod prysznic, szampony, pasty do zębów, mydła).
Polikaprolakton (PCL) to polimer biodegradowalny, należący do grupy poliestrów alifatycznych, otrzymywany z polimeryzacji kaprolaktonu. Polimer ten łatwo miesza się z wieloma innymi polimerami i dlatego jest stosowany jako plastyfikator zwiększający elastyczność tworzyw sztucznych oraz ich biodegradowalność. PCL znalazł wiele zastosowań biomedycznych. W organizmie człowieka ulega on stopniowemu, powolnemu rozkładowi na skutek hydrolizy wiązań estrowych, który trwa ok. 2 lat i jest on stosowany do produkcji implantów oraz wchłanialnych nici chirurgicznych.
Włókna z polikaprolaktonu gwarantują kontrolowane rozciąganie i ściskanie kanki w trzech wymiarach. Hydrożel jako osnowa utrzymuje szkielet w całości i zapewnia niski współczynnik tarcia.
Kompozyt o biomimetycznej strukturze może być wykorzystany jako bezkomórkowy lub komórkowy zamiennik chrząstek w ludzkim ciele
Źródło:
[1] Liao, I.-C., Moutos, F. T., Estes, B. T., Zhao, X. and Guilak, F. (2013), Composite Three-Dimensional Woven Scaffolds with Interpenetrating Network Hydrogels to Create Functional Synthetic Articular Cartilage. Adv. Funct. Mater doi: 10.1002/adfm.201300483
[2] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201300483/abstract | 05.07.2013
[3] Professor Kent Leach by UC Davis College of Engineering, flickr.com, CC BY 2.0