L'impareggiabile forza liquida della cartilagine, che è circa l'80% di acqua, resiste ad alcune delle forze più dure sui nostri corpi.

I materiali sintetici non potevano eguagliarlo, fino a quando "Kevlartilage" non è stato sviluppato dai ricercatori dell'Università del Michigan e della Jiangnan University.

"Sappiamo che siamo costituiti principalmente da acqua - tutta la vita lo fa - eppure i nostri corpi hanno molta stabilità strutturale, " ha detto Nicholas Kotov, il Professore di Ingegneria Joseph B. e Florence V. Cejka presso la U-M, che ha condotto lo studio. "Comprendere la cartilagine significa capire come le forme di vita possono combinare proprietà che a volte sono impensabili insieme."

Molte persone con lesioni articolari trarrebbero beneficio da un buon sostituto della cartilagine, come l'850, 000 pazienti negli Stati Uniti sottoposti a interventi chirurgici di rimozione o sostituzione della cartilagine del ginocchio.

Mentre altre varietà di cartilagine sintetica sono già in fase di sperimentazione clinica, questi materiali si dividono in due campi che scelgono tra gli attributi della cartilagine, incapace di ottenere quell'improbabile combinazione di forza e contenuto d'acqua.

Gli altri materiali sintetici che imitano le proprietà fisiche della cartilagine non contengono abbastanza acqua per trasportare i nutrienti di cui le cellule hanno bisogno per prosperare, disse Kotov.

Nel frattempo, idrogel, che incorporano l'acqua in una rete di lunghi, molecole flessibili:possono essere progettate con acqua a sufficienza per supportare la crescita delle cellule dei condrociti che costruiscono la cartilagine naturale. Eppure quegli idrogel non sono particolarmente forti. Strappano sotto sforzo una frazione di ciò che la cartilagine può gestire.

Il nuovo idrogel a base di Kevlar ricrea la magia della cartilagine combinando una rete di resistenti nanofibre di Kevlar, le fibre "aramidiche" più note per la realizzazione di giubbotti antiproiettile, con un materiale comunemente usato nelle sostituzioni della cartilagine in idrogel, detto alcol polivinilico, o PVA.

Nella cartilagine naturale, la rete di proteine ​​e altre biomolecole ottiene la sua forza resistendo al flusso d'acqua tra le sue camere. La pressione dell'acqua riconfigura la rete, permettendogli di deformarsi senza rompersi. L'acqua viene rilasciata nel processo, e la rete si riprende assorbendo l'acqua in un secondo momento.

Questo meccanismo consente giunti ad alto impatto, come le ginocchia, resistere alle forze punitive. Correre ripetutamente martella la cartilagine tra le ossa, forzando l'acqua fuori e rendendo la cartilagine più flessibile di conseguenza. Quindi, quando il corridore riposa, la cartilagine assorbe l'acqua in modo da fornire nuovamente una forte resistenza alla compressione.

La cartilagine sintetica vanta lo stesso meccanismo, rilasciando acqua sotto stress e poi recuperando assorbendo acqua come una spugna. Le nanofibre di aramide costruiscono la struttura del materiale, mentre il PVA intrappola l'acqua all'interno della rete quando il materiale è esposto a stiramento o compressione. Anche le versioni del materiale che erano per il 92 percento di acqua erano paragonabili in forza alla cartilagine, con la versione al 70 percento che raggiunge la resilienza della gomma.

Poiché le nanofibre di aramide e il PVA non danneggiano le cellule adiacenti, Kotov anticipa che questa cartilagine sintetica può essere un impianto adatto per alcune situazioni, come le parti più profonde del ginocchio. Si chiede anche se i condrociti potrebbero essere in grado di stabilirsi all'interno della rete sintetica per produrre una cartilagine ibrida.

Ma le sue potenziali applicazioni non si limitano alla cartilagine. Sospetta che reti simili, con diverse proporzioni di nanofibre aramidiche, PVA e acqua, potrebbe essere in grado di sostituire altri tessuti molli.

"Abbiamo molte membrane nel corpo che richiedono le stesse proprietà. Vorrei valutare lo spazio, " Ha detto Kotov. "Parlerò con i medici di dove è il bisogno acuto e dove questa intersezione delle proprietà ci consentirà di fare i migliori progressi e il maggiore impatto".

Kotov è membro del Biointerfaces Institute, che fornisce uno spazio condiviso per i ricercatori delle scuole di ingegneria e medicina di UM. È anche professore di ingegneria chimica, Scienze dei materiali e Ingegneria, e la scienza e l'ingegneria macromolecolari.

Lo studio, recentemente pubblicato in Materiale avanzato , è intitolato "Compositi biomimetici ricchi di acqua con rete di nanofibre abiotiche auto-organizzanti". È stato sostenuto dalla National Science Foundation, con ulteriori finanziamenti dal Dipartimento della Difesa. L'università è alla ricerca di protezione brevettuale e partner per portare la tecnologia sul mercato.