Из пара-арамида, который больше всего известен в виде волокна «Кевлар», применяемого в том числе и в бронежилетах, научились создавать искусственные хрящи. При этом такие кевларовые хрящи по характеристикам сопоставимы с натуральными, говорится в статье в журнале Advanced Materials.

Люди нередко повреждают хрящи, например, при высоких нагрузках или травмах суставов. Для их замены ученые разрабатывают разные искусственные или гибридные материалы, которые повторяют свойства натуральных хрящей. Но практически все такие разработки имеют компромиссные характеристики: высокая прочность, но малое содержание воды, которая важна для снабжения клеток питательными веществами, либо наоборот.

Исследователи под руководством Николая Котова (Nicholas Kotov) из Мичиганского университета смогли создать материал, который обладает обоими свойствами. Настоящая хрящевая ткань имеет сетчатую структуру из разных компонентов. Прочность хрящей обусловлена не прочностью самого каркаса, а тем, что он мешает свободному течению воды при нагрузке, которая таким образом сопротивляется этой нагрузке.

Lizhi Xu, Kotov Lab, University of Michigan

Ученые воссоздали такую структуру с помощью двух компонетов: пара-арамида, который известен как материал прочного волокна «Кевлар», и поливиниловый спирт. С помощью растворения исходных материалов в диметилсульфоксиде они получили волокна диаметром около нескольких нанометров и длиной в несколько микрометров. Затем они смешали эти волокна пара-арамида и поливинилового спирта в соотношении 1 к 5, заменили диметилсульфоксид на воду и получили гидрогели с сетчатой структурой.

Демонстрация прочности искусственных хрящей. Lizhi Xu et al. / Advanced Materials, 2017

Содержание воды в полученных гидрогелях составляет от 70 до 92 процентов, что соответствует настоящей хрящевой ткани. Исследователи протестировали их механические свойства, и выяснили, что они также сравнимы с такими у натуральных хрящей. Например, модуль упругости на растяжение составил от одного до четырех мегапаскалей, тогда как у настоящих хрящей примерно от 0,5 до 10 мегапаскалей, а модуль упругости на растяжение от 1,9 до 9,1 мегапаскалей у искусственных хрящей и от 1 до 10 у настоящих.

В прошлом году американские ученые создали новую методику 3D-печати хрящей натуральным клеточным материалом. Главным достижением работы стало то, что они смогли добиться печати без использования искусственного межклеточного матрикса, что делает метод более похожим на натуральный процесс развития хрящевой ткани.

Автор: Григорий Копиев