Tulang rawan lutut baru buatan laboratorium 26% lebih kuat dari tulang rawan alami dalam ketegangan, sesuatu seperti menggantung tujuh grand piano dari gantungan kunci, dan 66% lebih kuat dalam kompresi—yang akan seperti memarkir mobil di atas prangko. (Kredit: Daniel Thiele/Hapus percikan)
Pengganti tulang rawan lutut berbasis gel baru lebih kuat dan lebih tahan lama daripada yang asli, menurut sebuah studi baru.
Obat pereda nyeri yang dijual bebas, terapi fisik, suntikan steroid—beberapa orang telah mencoba semuanya dan masih mengalami nyeri lutut.
Seringkali nyeri lutut berasal dari keausan progresif dari tulang rawan dikenal sebagai osteoartritis, yang menyerang hampir satu dari enam orang dewasa—867 juta orang—di seluruh dunia. Bagi mereka yang ingin menghindari penggantian seluruh sendi lutut, tulang rawan yang baru dapat segera membantu pasien bangkit kembali dengan cepat, bebas rasa sakit, dan tetap seperti itu.
Seperti dilaporkan dalam jurnal Materi Fungsional Tingkat Lanjut, pengujian mekanis mengungkapkan bahwa hidrogel—bahan yang terbuat dari polimer penyerap air—dapat ditekan dan ditarik dengan lebih kuat daripada tulang rawan alami, dan tiga kali lebih tahan terhadap keausan.
Implan yang terbuat dari bahan tersebut saat ini sedang dikembangkan oleh Sparta Biomedical dan diuji pada domba. Para peneliti bersiap untuk memulai uji klinis pada manusia tahun depan.
“Jika semuanya berjalan sesuai rencana, uji klinis akan dimulai paling cepat April 2023,” kata Benjamin Wiley, seorang profesor kimia di Duke University yang memimpin penelitian bersama dengan Ken Gall, seorang profesor teknik mesin dan ilmu material.
Tulang rawan lutut alami
Untuk membuat bahan ini, tim mengambil lembaran tipis serat selulosa dan memasukkannya dengan polimer yang disebut polivinil alkohol—bahan kental yang terdiri dari rantai molekul berulang—untuk membentuk gel.
Serat selulosa bertindak seperti serat kolagen di tulang rawan alami, kata Wiley—mereka memberikan kekuatan gel saat diregangkan. Polivinil alkohol membantunya kembali ke bentuk aslinya. Hasilnya adalah bahan seperti Jello, 60% air, yang kenyal namun sangat kuat.
Tulang rawan alami dapat menahan masing-masing 5,800 hingga 8,500 pon per inci dari tarikan dan tekanan, sebelum mencapai titik puncaknya. Versi buatan lab adalah hidrogel pertama yang dapat menangani lebih banyak lagi. Ini 26% lebih kuat dari tulang rawan alami dalam ketegangan, sesuatu seperti menangguhkan tujuh grand piano dari gantungan kunci, dan 66% lebih kuat dalam kompresi—yang akan seperti memarkir mobil di atas prangko.
"Ini benar-benar di luar grafik dalam hal kekuatan hidrogel," kata Wiley.
Tim telah membuat hidrogel dengan sifat yang luar biasa. Pada tahun 2020, mereka melaporkan bahwa mereka telah menciptakan hidrogel pertama cukup kuat untuk lutut, yang merasakan kekuatan dua hingga tiga kali berat badan dengan setiap langkah.
Menempatkan gel untuk penggunaan praktis sebagai pengganti tulang rawan, bagaimanapun, menghadirkan tantangan desain tambahan. Salah satunya adalah mencapai batas atas kekuatan tulang rawan. Aktivitas seperti melompat, menerjang, atau menaiki tangga memberikan tekanan 10 Megapascal pada tulang rawan di lutut, atau sekitar 1,400 pon per inci persegi. Tapi jaringan bisa memakan waktu hingga empat kali lipat sebelum rusak. “Kami tahu ada ruang untuk perbaikan,” kata Wiley.
Implan lutut tidak bertahan selamanya
Di masa lalu, para peneliti yang mencoba membuat hidrogel yang lebih kuat menggunakan proses beku-cair untuk menghasilkan kristal di dalam gel, yang mengusir air dan membantu menyatukan rantai polimer. Dalam studi baru, alih-alih membekukan dan mencairkan hidrogel, para peneliti menggunakan perlakuan panas yang disebut anil untuk membujuk lebih banyak kristal agar terbentuk di dalam jaringan polimer.
Dengan meningkatkan kandungan kristal, para peneliti mampu menghasilkan gel yang dapat menahan lima kali lebih banyak tekanan dari menarik dan hampir dua kali lebih banyak meremas dibandingkan metode beku-cair. Peningkatan kekuatan gel anil juga membantu memecahkan tantangan desain kedua: mengamankannya ke sambungan dan membuatnya tetap terpasang.
Tulang rawan membentuk lapisan tipis yang menutupi ujung tulang sehingga tidak saling bergesekan. Studi sebelumnya belum dapat menempelkan hidrogel langsung ke tulang atau tulang rawan dengan kekuatan yang cukup untuk mencegahnya lepas atau terlepas. Jadi tim Duke datang dengan pendekatan yang berbeda.
Metode pemasangannya melibatkan penyemenan dan penjepitan hidrogel ke a titanium basis. Ini kemudian ditekan dan ditambatkan ke dalam lubang di mana tulang rawan yang rusak dulunya berada. Pengujian menunjukkan desain tetap diikat 68% lebih kuat dari tulang rawan alami pada tulang.
“Kekhawatiran lain untuk implan lutut adalah keausan seiring waktu, baik dari implan itu sendiri maupun tulang rawan yang berlawanan,” kata Wiley.
'Perubahan dramatis dalam perawatan'
Peneliti lain telah mencoba mengganti tulang rawan yang rusak dengan implan lutut yang terbuat dari logam atau polietilen, tetapi karena bahan ini lebih kaku daripada tulang rawan, bahan ini dapat lecet pada bagian lutut lainnya.
Dalam tes keausan, para peneliti mengambil tulang rawan buatan dan tulang rawan alami dan memutarnya satu sama lain jutaan kali, dengan tekanan yang mirip dengan apa yang dialami lutut saat berjalan.
Menggunakan teknik pemindaian sinar-X resolusi tinggi yang disebut micro-computed tomography (micro-CT), para ilmuwan menemukan bahwa permukaan versi buatan laboratorium mereka bertahan tiga kali lebih baik daripada yang asli. Namun karena hidrogel meniru sifat halus, licin, dan empuk dari tulang rawan asli, hidrogel melindungi permukaan sendi lainnya dari gesekan saat meluncur melawan implan.
Tulang rawan alami adalah barang yang sangat tahan lama. Tapi begitu rusak, ia memiliki kemampuan terbatas untuk menyembuhkan karena tidak memiliki pembuluh darah, kata Wiley.
Di Amerika Serikat, osteoarthritis sekarang dua kali lebih umum daripada seabad yang lalu. Pembedahan adalah pilihan ketika perawatan konservatif gagal. Selama beberapa dekade ahli bedah telah mengembangkan sejumlah pendekatan invasif minimal, seperti menghilangkan tulang rawan yang longgar, atau membuat lubang untuk merangsang pertumbuhan baru, atau mencangkok tulang rawan yang sehat dari donor. Tetapi semua metode ini membutuhkan rehabilitasi selama berbulan-bulan, dan beberapa persentase di antaranya gagal seiring waktu.
Umumnya dianggap sebagai upaya terakhir, penggantian lutut total adalah cara yang terbukti untuk menghilangkan rasa sakit. Tapi sendi buatan juga tidak bertahan selamanya. Khususnya untuk pasien yang lebih muda yang ingin menghindari operasi besar untuk perangkat yang hanya perlu diganti lagi, Wiley mengatakan, "tidak ada pilihan yang sangat baik di luar sana."
"Saya pikir ini akan menjadi perubahan dramatis dalam pengobatan untuk orang-orang pada tahap ini," kata Wiley.
Sparta Biomedical dan Fasilitas Instrumentasi Bahan Bersama di Duke University mendanai pekerjaan tersebut. Wiley dan Gall adalah pemegang saham di Sparta Biomedical.
Sumber: Duke University
Buku terkait:
Tubuh Menjaga Skor: Otak Pikiran dan Tubuh dalam Penyembuhan Trauma
oleh Bessel van der Kolk
Buku ini mengeksplorasi hubungan antara trauma dan kesehatan fisik dan mental, menawarkan wawasan dan strategi untuk penyembuhan dan pemulihan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Napas: Ilmu Baru Seni yang Hilang
oleh James Nestor
Buku ini mengeksplorasi ilmu dan praktik pernapasan, menawarkan wawasan dan teknik untuk meningkatkan kesehatan fisik dan mental.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Paradoks Tumbuhan: Bahaya Tersembunyi dalam Makanan "Sehat" yang Menyebabkan Penyakit dan Kenaikan Berat Badan
oleh Steven R. Gundry
Buku ini mengeksplorasi hubungan antara diet, kesehatan, dan penyakit, menawarkan wawasan dan strategi untuk meningkatkan kesehatan dan kebugaran secara keseluruhan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Kode Imunitas: Paradigma Baru untuk Kesehatan Sejati dan Anti Penuaan Radikal
oleh Joel Greene
Buku ini menawarkan perspektif baru tentang kesehatan dan kekebalan, berdasarkan prinsip-prinsip epigenetik dan menawarkan wawasan dan strategi untuk mengoptimalkan kesehatan dan penuaan.
Klik untuk info lebih lanjut atau untuk memesan
Panduan Puasa Lengkap: Sembuhkan Tubuh Anda Melalui Puasa Intermiten, Hari Alternatif, dan Perpanjangan
oleh Dr. Jason Fung dan Jimmy Moore
Buku ini mengeksplorasi ilmu dan praktik puasa yang menawarkan wawasan dan strategi untuk meningkatkan kesehatan dan kebugaran secara keseluruhan.
