پزشکی بازساختی و سلول‌های بنیادی

برخی از بیماران برای درمان زانو درد خود همه چیز را امتحان کرده اند، از جمله مسکن های بدون نسخه، فیزیوتراپی و تزریق استروئید. با این حال، درد آنها همچنان ادامه داشته است.

استئوآرتریت، که 867 میلیون نفر را در سراسر جهان تحت تاثیر قرار می دهد و تخمین زده می شود که از هر شش بزرگسال، یک نفر را درگیر کند، شایعترین علت زانو درد است. کسانی که خواستار تعویض کل مفصل زانو نیستند، ممکن است به زودی جایگزین در دسترس آن ها قرار گیرد که به آنها امکان می دهد سریعا و بدون درد روی پاهای خود راه روند و همینطور بمانند.

یک تیم به رهبری دانشگاه دوک در مقاله‌ای که در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است، ادعا می‌کند که اولین جایگزین غضروف مبتنی بر ژل را ساخته‌اند که حتی قوی‌تر و بادوام‌تر از نمونه طبیعی آن است.

آزمایشات مکانیکی نشان می‌دهد که هیدروژل توسعه‌یافته توسط محققان دوک، که از پلیمرهای جاذب آب تشکیل شده است، سه برابر بادوام‌تر از غضروف طبیعی است و می‌توان آن را با نیروی بیشتری فشار داد و یا کشید.

Sparta Biomedical در حال حاضر در حال توسعه و آزمایش ایمپلنت های ساخته شده از این ماده روی گوسفند است. محققان در حال آماده شدن برای شروع آزمایشات بالینی انسانی در سال آینده هستند.

پروفسور بنجامین وایلی، که همراه با پروفسور کن گال، رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: "اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود، کارآزمایی بالینی ابتدای آوریل 2023 آغاز خواهد شد."

دانشمندان دوک ورقه‌های نازکی از الیاف سلولز را برداشته و به آن‌ها پلی وینیل الکل، ماده ویسکوزی تشکیل شده از زنجیره‌های رشته‌ای از مولکول‌های تکرار شونده، تزریق کردند تا ساختار ژلی را برای ایجاد این ماده ایجاد کنند.

به گفته ویلی، الیاف سلولزی استحکام ژل را در هنگام کشش تقویت می کنند، دقیقاً مانند الیاف کلاژن در غضروف طبیعی. پلی وینیل الکل نیز به آن کمک می کند تا به شکل اولیه خود بازگردد. محصول نهایی یک ماده ژله مانند است که حاوی 60 درصد آب و به طرز شگفت انگیزی قوی است.

قبل از شکستن، غضروف طبیعی می تواند به ترتیب 5800 تا 8500 پوند در هر اینچ کشش و له شدن را تحمل کند. نسخه ایجاد شده در آزمایشگاه آنها اولین هیدروژلی است که می تواند حتی بیشتر از این تحمل کند. این غضروف 26 درصد از نظر کشش قوی تر از غضروف طبیعی است که با آویزان کردن هفت پیانوی بزرگ از حلقه کلید قابل مقایسه است و 66 درصد از نظر فشرده سازی قوی تر است که شبیه به پارک کردن ماشین روی تمبر پستی است.

ویلی گفت: "از نظر استحکام هیدروژل واقعاً خارج از حد انتظار و فوق نمودار است."

این تیم قبلاً هیدروژل هایی با خواص قابل توجه ساخته است. در سال 2020، آنها گزارش دادند که اولین هیدروژلی را ساخته اند که به اندازه کافی برای زانوها مستحکم است و با هر قدم نیرویی دو تا سه برابر وزن بدن را تحمل می کند.

با این حال، استفاده عملی از ژل به عنوان جایگزینی برای غضروف، چالش های طراحی دیگری را به همراه داشت. یکی از چالش ها دستیابی به مرزهای بالای قدرت غضروف بود. فعالیت هایی مانند پریدن، جهیدن یا بالا رفتن از پله ها حدود 10 مگا پاسکال بر غضروف زانو یا حدود 1400 پوند در هر اینچ مربع فشار وارد می کند که بافت غضروفی سالم ممکن است تا چهار برابر آن را تحمل کند.

ویلی گفت: "ما می دانستیم که جای پیشرفت بسیاری وجود دارد."

در گذشته، محققانی که تلاش می‌کردند هیدروژل‌های قوی‌تری بسازند، از فرآیند انجماد و ذوب برای تولید کریستال‌هایی در ژل استفاده می‌کردند که آب را خارج و به نگه داشتن زنجیره‌های پلیمری در کنار هم کمک می‌کند. در مطالعه جدید، محققان به جای انجماد و ذوب هیدروژل، از عملیات حرارتی به نام بازپخت استفاده کردند تا کریستال های بیشتری را در شبکه پلیمری تشکیل دهند.

با افزایش محتوای کریستال، محققان توانستند ژلی تولید کنند که می‌تواند پنج برابر فشار ناشی از کشیدن و نزدیک به دو برابر فشار وارده را نسبت به روش‌های انجماد و ذوب تحمل کند.

استحکام بهبود یافته ژل ذوب شده همچنین به حل چالش دوم طراحی کمک کرد: محکم کردن آن بر روی مفصل و ثابت نگه داشتن آن.

غضروف طبیعی از یک لایه نازک تشکیل شده است که انتهای استخوان ها را می پوشاند تا روی یکدیگر ساییده نشوند. مطالعات قبلی نتوانسته اند هیدروژل ها را به طور مستقیم به استخوان یا غضروف با استحکام کافی بچسبانند تا از شکستن یا سر خوردن آن ها جلوگیری کند. بنابراین تیم دوک رویکرد متفاوتی را ارائه کرد.

روش اتصال آنها شامل سیمان کردن و بستن هیدروژل به یک پایه تیتانیوم است. سپس این غضروف را فشار داده و در سوراخی که قبلاً در غضروف آسیب دیده قرار داشت، گیر می کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این طرح 68 درصد محکم‌تر از غضروف طبیعی روی استخوان بسته می‌شود.

وایلی گفت: "یکی دیگر از نگرانی‌های ایمپلنت زانو، سایش در طول زمان است، هم خود ایمپلنت و هم غضروف مقابل آن."

سایر محققان سعی کرده اند غضروف آسیب دیده را با ایمپلنت های زانو ساخته شده از فلز یا پلی اتیلن جایگزین کنند، اما از آنجایی که این مواد سفت تر از غضروف هستند، می توانند بر روی سایر قسمت های زانو آسیب ایجاد کنند.

در آزمایش‌های سایش، محققان غضروف مصنوعی و غضروف طبیعی را با فشاری مشابه فشاری که زانو در حین راه رفتن تجربه می‌کند، میلیون‌ها بار روی هم حرکت دادند و با استفاده از یک تکنیک اسکن اشعه ایکس با وضوح بالا به نام توموگرافی کامپیوتری میکرو (micro-CT) دریافتند که سطح نسخه آزمایشگاهی آنها سه برابر بهتر از نمونه واقعی است. همچنین،ازآنجاییکههیدروژلازماهیتصاف،لغزندهو

بالشتکی غضروف واقعی تقلید می‌کند، از سایر سطوح مفصلی در برابر اصطکاک محافظت می‌کند که در برابر ایمپلنت می‌لغزند.

غضروف طبیعی ماده ای بسیار بادوام است، اما هنگامی که آسیب ببیند، توانایی محدودی برای التیام دارد، زیرا هیچ رگ خونی در آن وجود ندارد.

امروزه در ایالات متحده، آرتروز دو برابر شایعتر از یک قرن پیش است. زمانی که درمان های محافظه کارانه با شکست مواجه می شوند، جراحی تنها گزینه است. در طول دهه‌ها، جراحان تعدادی از روش‌های کم تهاجمی مانند برداشتن غضروف آسیب‌دیده، ایجاد سوراخ‌هایی برای تحریک رشد جدید، یا پیوند غضروف سالم از اهداکننده ایجاد کرده‌اند. اما همه این روش ها به ماه ها بازتوانی نیاز دارند و درصدی از آنها به مرور زمان با شکست مواجه می شوند.

به طور کلی به عنوان آخرین راه حل، تعویض کامل زانو یک راه اثبات شده برای تسکین درد است. اما مفاصل مصنوعی برای همیشه دوام نمی آورند.

ویلی گفت: "گزینه‌های خیلی خوبی برای درمان پایدار وجود ندارد. من فکر می کنم این یک تغییر چشمگیر در درمان افراد درگیر در این مرحله خواهد بود."

https://fonts.googleapis.com/css?family=Karla%7CNoto+Sans%3A700%7COverpass+Mono&display=optional