Knorpel

May 16, 2023

Jeder, der an Arthritis leidet, weiß, dass Knorpel eine entscheidende Rolle dabei spielt, dass sich unsere Gelenke frei bewegen können. Wissenschaftler haben seine Eigenschaften nun in einem synthetischen, selbstschmierenden Material nachgebildet, das nur gelegentliche Wasseraufgüsse benötigt.

Knorpel bedeckt die Enden der Knochen in Gelenken wie unseren Knien und sorgt dafür, dass sie sich reibungslos gegeneinander bewegen können, ohne das darunter liegende Knochengewebe abzunutzen. Es besteht aus einer porösen Matrix aus Kollagenfasern, Proteoglykanproteinen und Elastinproteinfasern. Diese Matrix absorbiert eine viskose Flüssigkeit, die sogenannte Synovialflüssigkeit, die in den Gelenken produziert wird.

Während sich das Gelenk bewegt, geben die angrenzenden Knorpeloberflächen diese Flüssigkeit nach und nach ab und sorgen so für eine Schmierung. Gleichzeitig trägt die aufgenommene Flüssigkeit durch einen hydroelastischen Effekt dazu bei, dass der Knorpel einer irreversiblen Verformung durch Druckkräfte standhält. Und obwohl Forscher zuvor versucht haben, künstlichen Knorpel herzustellen, verwendeten sie typischerweise weiche Hydrogele, die solchen Kräften nicht standhalten konnten.

Unter der Leitung von Dr. Siavash Soltanahmadi von der University of Leeds haben Wissenschaftler dieser Institution und des Imperial College London einen anderen Ansatz gewählt. Sie verwenden immer noch ein Hydrogel, das ein Gleitmittel – in diesem Fall Wasser – absorbieren und abgeben kann, aber dieses Gel ist in einer porösen Stützmatrix aus einem silikonbasierten Polymer namens Polydimethylsiloxan (PDMS) enthalten.

Wenn das Hydrogel/Polymer-Material einer Druckkraft ausgesetzt wird, ermöglicht das Polymer, dass das Gleitgel einer 14- bis 19-mal höheren Kraft standhält, als es allein könnte. Tatsächlich kommt der Elastizitätsmodul des Materials dem von natürlichem Knorpel nahe.

„Wir haben jetzt ein Material für technische Anwendungen entwickelt, das einige der wichtigsten Eigenschaften von Knorpel nachahmt, und das war nur möglich, weil wir einen Weg gefunden haben, die Art und Weise nachzuahmen, wie die Natur es tut“, sagt Soltanahmadi. „In der Technik gibt es viele Anwendungen für ein synthetisches Material, das weich ist, aber hohen Belastungen bei minimalem Verschleiß standhält, beispielsweise in Lagern.“

Die Forschung wird in einem Artikel beschrieben, der kürzlich in der Zeitschrift Applied Polymer Materials veröffentlicht wurde.

Quelle: Universität Leeds