Kevlartilage: Nuevo cartílago artificial que iguala al cartílago natural

Kevlartilage cartílago artificial: La incomparable resistencia del cartílago, un tejido que está compuesto aproximadamente por un 80% de agua, resiste algunas de las fuerzas y presiones más altas en el cuerpo humano.

La resistencia a la presión y fricción del cartílago, a pesar de su alto contenido de agua, ha sido una característica muy particular de este tejido, que no ha podido ser igualada por ningún material sintético, hasta ahora.

Kevlartilage el nuevo cartílago artificial

Investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Jiangnan han desarrollado un nuevo material denominado “Kevlartilage”.

Sabemos que gran parte de nuestro cuerpo está compuesto de agua y, sin embargo, se tiene mucha estabilidad estructural, dijo Nicholas Kotov, profesor de ingeniería Joseph B. y Florence V. Cejka en la UM, quien dirigió el estudio.

Comprender el cartílago, es entender cómo las formas de vida pueden realizar combinaciones de propiedades, muchas veces impensables.

Como los 850,000 pacientes en los Estados Unidos que se someten a cirugías que extirpan o reemplazan el cartílago de la rodilla, muchas personas con lesiones articulares, y artrosis se beneficiarían de un adecuado para el cartílago que realmente funciona.

El cartílago artificial y los materiales desarrollados hasta ahora

Existen algunas variedades de cartílago artificial, pero algunas, son incapaces de lograr esa improbable combinación de resistencia y contenido de agua.

Otros materiales, imitan las características físicas del cartílago, pero no contienen suficiente agua para transportar los nutrientes, que las células necesitan para sobrevivir.

Mientras tanto, los hidrogeles que incorporan agua en una red de moléculas largas y flexibles, se pueden diseñar con suficiente agua, para apoyar el crecimiento celular de los condrocitos que forman el cartílago natural.

Que son los condrocitos?

Los condrocitos (del griego chondros cartílago + kytos célula) son un tipo de célula que se encuentran en el cartílago.

Se encargan de mantener la matriz cartilaginosa, a través de la producción de sus principales compuestos: colágeno y proteoglicanos.

Los condrocitos conforman solo el 5% del tejido cartilaginoso, pero son esenciales para el mantenimiento de la matriz extracelular que comprende el 95% de este tejido.

Sin embargo, esos hidrogeles no son especialmente fuertes, ya que, se desgarran cuando se someten a una fracción de la tensión, que el cartílago comúnmente puede manejar.

En qué se diferencia este nuevo material

El nuevo hidrogel, recrea la magia del cartílago, al combinar una red de resistentes nanofibras de Kevlar.

Este nuevo material, se compone de fibras de “aramida” más conocidas por su uso en la fabricación de chalecos antibalas, y un material comúnmente usado en reemplazos de cartílago de hidrogel, llamado alcohol polivinílico, o PVA.

Cómo funciona este nuevo cartílago artificial

En el cartílago natural, la red de proteínas y otras biomoléculas obtienen su resistencia al contener el agua entre sus cámaras.

fibras de aramida
fibras de aramida Fuente Wikipedia

La presión del agua reconfigura la red, lo que le permite al cartílago deformarse sin romperse. El agua se libera en el proceso, y la red se recupera absorbiendo agua más tarde.

Este mecanismo permite que las articulaciones como rodillas y caderas, soporten elevadas fuerzas de impacto.

Por ejemplo, cuando se corre, el movimiento repetitivo en la articulación de la rodilla, golpea el cartílago de la articulación. Esto presiona y libera el agua, logrando de esta manera, una mayor flexibilidad del cartílago.

Luego, cuando el corredor descansa, el cartílago absorbe agua para recuperar su resistencia a la compresión nuevamente.

Cómo funciona el Kevlartilage

El nuevo cartílago sintético, cuenta con el mismo mecanismo, que libera agua bajo estrés y luego se recupera al absorber agua como una esponja.

Kevlartilage-Nuevo cartílago artificial que iguala al cartilago natural

Fuerzas de extensión y compresión en el cartílago artificial

Las nanofibras de aramida, forman la estructura del material, mientras que el PVA, atrapa el agua dentro de la red, cuando el material se expone a fuerzas de extensión o compresión.

Incluso, las versiones del material con un 92% de agua fueron comparables en resistencia al cartílago natural, y la versión del 70% lograba la elasticidad del caucho.

Como las nanofibras de aramida y el PVA no dañan las células adyacentes, Kotov anticipa que este cartílago sintético puede ser un material adecuado para implantes en áreas complicadas, como las partes más profundas de la rodilla.

También investiga, si los condrocitos podrían establecerse dentro de la red sintética, para producir un cartílago híbrido.

Otras aplicaciones potenciales

Nikolas Kotov Biointerfaces Institute
Nikolas Kotov Biointerfaces Institute

Las posibles aplicaciones de este nuevo material, no se limitan al cartílago. Él sospecha que redes similares, con diferentes proporciones de nanofibras de aramida, PVA y agua, pueden usarse para la sustitución de otros tejidos blandos en el cuerpo.

Tenemos muchas membranas en el cuerpo que requieren las mismas propiedades. Me gustaría evaluar las opciones, dijo Kotov.

Hablaré con los médicos sobre las potenciales aplicaciones, y en qué partes del cuerpo, las propiedades de este nuevo material, podrían representar el mejor progreso y el mayor impacto.

Kotov es miembro del Instituto Biointerfaces, que proporciona espacio compartido para investigadores de las facultades de ingeniería y medicina de la UM.

También es profesor de ingeniería química, ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular.


Fuentes

Condrocito – Wikipedia, la enciclopedia libre. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Condrocito

Xu, L., Zhao, X., Xu, C., and Kotov, N.A. 2017. Water-Rich Biomimetic Composites with Abiotic Self-Organizing Nanofiber Network. Advanced Materials, 1703343. [Fuente]

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