กระดูกอ่อนข้อเข่าที่ผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการใหม่มีความแข็งแรงกว่ากระดูกอ่อนตามธรรมชาติ 26% บางอย่างเช่นระงับแกรนด์เปียโนเจ็ดตัวจากพวงกุญแจและแรงกดขึ้น 66% ซึ่งเหมือนกับการจอดรถบนแสตมป์ (เครดิต: แดเนียล ธีเอล/Unsplash)

ผลการศึกษาใหม่ระบุว่า สารทดแทนกระดูกอ่อนข้อเข่าชนิดเจลชนิดใหม่มีความแข็งแรงและทนทานกว่าของจริง

ยาแก้ปวดที่จำหน่ายหน้าเคาน์เตอร์ กายภาพบำบัด การฉีดสเตียรอยด์—บางคนลองใช้มาหมดแล้วและยังคงรับมือกับอาการปวดเข่าอยู่

อาการปวดเข่ามักเกิดจากการสึกกร่อนของ กระดูกอ่อน รู้จักกันในชื่อโรคข้อเข่าเสื่อม ซึ่งส่งผลกระทบต่อผู้ใหญ่เกือบหนึ่งในหก หรือ 867 ล้านคนทั่วโลก สำหรับผู้ที่ต้องการหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนข้อเข่าทั้งหมด ในไม่ช้ากระดูกอ่อนใหม่จะช่วยให้ผู้ป่วยกลับมายืนได้อีกครั้งอย่างรวดเร็ว ปราศจากความเจ็บปวด และคงอยู่อย่างนั้น

ตามที่ได้รายงานในวารสาร วัสดุการทำงานขั้นสูงการทดสอบทางกลพบว่าไฮโดรเจลซึ่งเป็นวัสดุที่ทำจากโพลีเมอร์ที่ดูดซับน้ำสามารถกดและดึงด้วยแรงที่มากกว่ากระดูกอ่อนตามธรรมชาติ และมีความทนทานต่อการสึกหรอมากกว่าถึงสามเท่า

รากฟันเทียมที่ทำจากวัสดุนี้กำลังได้รับการพัฒนาโดย Sparta Biomedical และทดสอบในแกะ นักวิจัยกำลังเตรียมพร้อมที่จะเริ่มการทดลองทางคลินิกในมนุษย์ในปีหน้า

Benjamin Wiley ศาสตราจารย์ด้านเคมีจาก Duke University ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยร่วมกับ Ken Gall ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุศาสตร์ กล่าวว่า "หากทุกอย่างเป็นไปตามแผน การทดลองทางคลินิกควรเริ่มโดยเร็วที่สุดในเดือนเมษายน 2023

กระดูกอ่อนข้อเข่าแบบธรรมชาติ

ในการทำวัสดุนี้ ทีมงานได้นำเส้นใยเซลลูโลสแผ่นบางๆ มาผสมกับพอลิเมอร์ที่เรียกว่าโพลีไวนิลแอลกอฮอล์ ซึ่งเป็นสารที่เหนียวหนืดที่ประกอบด้วยสายโซ่ที่เหนียวแน่นของโมเลกุลที่เกิดซ้ำเพื่อสร้างเจล

เส้นใยเซลลูโลสทำหน้าที่เหมือน เส้นใยคอลลาเจน ในกระดูกอ่อนตามธรรมชาติ Wiley กล่าวว่าพวกเขาให้ความแข็งแรงของเจลเมื่อยืดออก โพลีไวนิลแอลกอฮอล์ช่วยให้กลับคืนสู่รูปร่างเดิม ผลลัพธ์ที่ได้คือวัสดุที่มีลักษณะคล้ายเจลโล่ น้ำ 60% ซึ่งมีความอ่อนนุ่มแต่ก็แข็งแกร่งอย่างน่าประหลาดใจ

กระดูกอ่อนตามธรรมชาติสามารถทนต่อการดึงและบีบขนาด 5,800 ถึง 8,500 ปอนด์ต่อนิ้ว ตามลำดับ ก่อนถึงจุดแตกหัก เวอร์ชันที่ทำในห้องปฏิบัติการคือไฮโดรเจลตัวแรกที่รับมือได้มากกว่าเดิม แรงตึงนั้นแข็งแกร่งกว่ากระดูกอ่อนตามธรรมชาติ 26% บางอย่างเช่นระงับแกรนด์เปียโนเจ็ดตัวจากพวงกุญแจ และแรงอัดแรงขึ้น 66% ซึ่งเหมือนกับการจอดรถบนแสตมป์

“มันไม่อยู่ในชาร์ตในแง่ของความแข็งแกร่งของไฮโดรเจล” ไวลีย์กล่าว

ทีมงานได้ทำไฮโดรเจลที่มีคุณสมบัติโดดเด่นมาแล้ว ในปี 2020 พวกเขารายงานว่าพวกเขาได้สร้างไฮโดรเจลตัวแรกขึ้น แข็งแรงเพียงพอสำหรับเข่าซึ่งสัมผัสได้ถึงพลังของน้ำหนักตัวสองถึงสามเท่าในแต่ละย่างก้าว

อย่างไรก็ตาม การนำเจลไปใช้งานจริงเพื่อทดแทนกระดูกอ่อนทำให้เกิดความท้าทายในการออกแบบเพิ่มเติม หนึ่งกำลังบรรลุขีดจำกัดสูงสุดของความแข็งแรงของกระดูกอ่อน กิจกรรมต่างๆ เช่น การกระโดด กระโดด หรือปีนบันไดทำให้เกิดแรงกดดันต่อกระดูกอ่อนที่หัวเข่าประมาณ 10 เมกะปาสคาล หรือประมาณ 1,400 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว แต่เนื้อเยื่ออาจใช้เวลานานถึงสี่เท่าก่อนที่มันจะแตก “เรารู้ว่ายังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุง” ไวลีย์กล่าว

รากฟันเทียมไม่คงอยู่ตลอดไป

ในอดีต นักวิจัยที่พยายามสร้างไฮโดรเจลที่แรงกว่านั้นใช้กระบวนการละลายน้ำแข็งเพื่อผลิตผลึกภายในเจล ซึ่งขับน้ำออกและช่วยยึดสายโซ่โพลีเมอร์ไว้ด้วยกัน ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ แทนที่จะแช่แข็งและละลายไฮโดรเจล นักวิจัยใช้การอบชุบด้วยความร้อนที่เรียกว่าการหลอมเพื่อเกลี้ยกล่อมให้ผลึกก่อตัวขึ้นภายในเครือข่ายพอลิเมอร์

การเพิ่มปริมาณคริสตัลทำให้นักวิจัยสามารถผลิตเจลที่สามารถทนต่อความเครียดจากการดึงได้มากถึงห้าเท่าและการบีบตัวมากขึ้นเกือบสองเท่าเมื่อเทียบกับวิธีการละลายน้ำแข็ง ความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นของเจลอบอ่อนยังช่วยแก้ปัญหาความท้าทายด้านการออกแบบที่สอง: การยึดให้แน่นกับข้อต่อและการคงไว้ซึ่งความคงทน

กระดูกอ่อนก่อตัวเป็นชั้นบางๆ ที่หุ้มปลายกระดูกเพื่อไม่ให้กระทบกัน การศึกษาก่อนหน้านี้ไม่สามารถติดไฮโดรเจลโดยตรงกับกระดูกหรือกระดูกอ่อนที่มีความแข็งแรงเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้หลุดออกหรือหลุดออก ดังนั้นทีม Duke จึงมีแนวทางที่แตกต่างออกไป

วิธีการยึดติดของพวกมันเกี่ยวข้องกับการประสานและการยึดไฮโดรเจลกับa ไทเทเนียม ฐาน. จากนั้นกดและยึดเข้าไปในรูที่กระดูกอ่อนที่เสียหายเคยเป็น การทดสอบแสดงให้เห็นว่าการออกแบบยังคงยึดแน่นกว่ากระดูกอ่อนตามธรรมชาติถึง 68%

“ข้อกังวลอีกประการสำหรับการปลูกถ่ายหัวเข่าคือการสึกหรอเมื่อเวลาผ่านไป ทั้งของรากเทียมเองและกระดูกอ่อนของฝ่ายตรงข้าม” Wiley กล่าว

'การเปลี่ยนแปลงอย่างมากในการรักษา'

นักวิจัยคนอื่นๆ ได้พยายามเปลี่ยนกระดูกอ่อนที่เสียหายด้วยวัสดุปลูกถ่ายหัวเข่าที่ทำจากโลหะหรือโพลีเอทิลีน แต่เนื่องจากวัสดุเหล่านี้มีความแข็งกว่ากระดูกอ่อนจึงอาจเสียดสีกับส่วนอื่นๆ ของหัวเข่าได้

ในการทดสอบการสึกหรอ นักวิจัยได้นำกระดูกอ่อนเทียมและกระดูกอ่อนธรรมชาติมาปั่นเข้าหากันเป็นล้านครั้ง ด้วยแรงกดที่คล้ายกับที่หัวเข่าประสบขณะเดิน

การใช้เทคนิคการสแกนด้วยเอ็กซ์เรย์ความละเอียดสูงที่เรียกว่า micro-computed tomography (micro-CT) นักวิทยาศาสตร์พบว่าพื้นผิวของเวอร์ชันที่ทำในห้องปฏิบัติการของพวกเขานั้นดีกว่าของจริงถึงสามเท่า ทว่าเนื่องจากไฮโดรเจลเลียนแบบลักษณะที่เรียบ ลื่น และกระแทกของกระดูกอ่อนจริง จึงปกป้องพื้นผิวข้อต่ออื่นๆ จากการเสียดสีขณะที่เคลื่อนเข้าหารากฟันเทียม

กระดูกอ่อนธรรมชาติเป็นสิ่งที่คงทนอย่างน่าทึ่ง แต่เมื่อได้รับความเสียหาย จะสามารถรักษาได้จำกัดเพราะไม่มีหลอดเลือด Wiley กล่าว

ในประเทศสหรัฐอเมริกา โรคข้อเข่าเสื่อม เป็นสองเท่าในปัจจุบันมากกว่าเมื่อศตวรรษก่อน การผ่าตัดเป็นทางเลือกหนึ่งเมื่อการรักษาแบบอนุรักษ์นิยมล้มเหลว ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา ศัลยแพทย์ได้พัฒนาวิธีการที่มีการบุกรุกน้อยที่สุด เช่น การเอากระดูกอ่อนที่หลวมออก หรือการทำรูเพื่อกระตุ้นการเจริญเติบโตใหม่ หรือการปลูกถ่ายกระดูกอ่อนที่แข็งแรงจากผู้บริจาค แต่วิธีการทั้งหมดเหล่านี้ต้องใช้เวลาหลายเดือนในการทำกายภาพบำบัด และบางวิธีล้มเหลวเมื่อเวลาผ่านไป

โดยทั่วไปถือว่าเป็นทางเลือกสุดท้าย การเปลี่ยนข้อเข่าทั้งหมดเป็นวิธีที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถบรรเทาอาการปวดได้ แต่ข้อต่อเทียมก็ไม่คงอยู่ตลอดไปเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผู้ป่วยอายุน้อยที่ต้องการหลีกเลี่ยงการผ่าตัดใหญ่สำหรับอุปกรณ์ที่จำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่เท่านั้น Wiley กล่าวว่า "ไม่มีทางเลือกที่ดีมากนัก"

"ฉันคิดว่านี่จะเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในการรักษาผู้คนในขั้นตอนนี้" Wiley กล่าว

Sparta Biomedical และ Shared Materials Instrumentation Facility ที่ Duke University ให้ทุนสนับสนุนงานนี้ Wiley และ Gall เป็นผู้ถือหุ้นใน Sparta Biomedical

ที่มา: มหาวิทยาลัยดุ๊ก

หนังสือที่เกี่ยวข้อง:

ร่างกายรักษาคะแนน: สมองจิตใจและร่างกายในการรักษาบาดแผล

โดย Bessel van der Kolk

หนังสือเล่มนี้สำรวจความเชื่อมโยงระหว่างการบาดเจ็บกับสุขภาพกายและสุขภาพจิต นำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการรักษาและฟื้นฟู

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

ลมหายใจ: ศาสตร์ใหม่ของศิลปะที่สาบสูญ

โดย เจมส์ เนสเตอร์

หนังสือเล่มนี้สำรวจวิทยาศาสตร์และการฝึกหายใจ นำเสนอข้อมูลเชิงลึกและเทคนิคในการปรับปรุงสุขภาพร่างกายและจิตใจ

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

The Plant Paradox: อันตรายที่ซ่อนอยู่ในอาหาร "สุขภาพ" ที่ทำให้เกิดโรคและน้ำหนักขึ้น

โดย สตีเวน อาร์. กันดรี

หนังสือเล่มนี้สำรวจความเชื่อมโยงระหว่างอาหาร สุขภาพ และโรค โดยนำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการปรับปรุงสุขภาพโดยรวมและความสมบูรณ์พูนสุข

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

รหัสภูมิคุ้มกัน: กระบวนทัศน์ใหม่เพื่อสุขภาพที่แท้จริงและการต่อต้านริ้วรอยที่รุนแรง

โดย Joel Greene

หนังสือเล่มนี้นำเสนอมุมมองใหม่เกี่ยวกับสุขภาพและภูมิคุ้มกัน โดยใช้หลักการของ epigenetics และนำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการปรับปรุงสุขภาพและการชะลอวัยให้เหมาะสม

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ

คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับการถือศีลอด: รักษาร่างกายของคุณด้วยการอดอาหารเป็นช่วงๆ วันเว้นวัน และการอดอาหารแบบยืดเวลา

โดย ดร.เจสัน ฟุง และจิมมี่ มัวร์

หนังสือเล่มนี้สำรวจวิทยาศาสตร์และการปฏิบัติของการถือศีลอดโดยนำเสนอข้อมูลเชิงลึกและกลยุทธ์ในการปรับปรุงสุขภาพโดยรวมและความสมบูรณ์พูนสุข

คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมหรือสั่งซื้อ