Хрящ – это мягкая волокнистая ткань вокруг суставов, которая обеспечивает защиту от сжимающей нагрузки, возникающей при ходьбе, беге или подъеме. Он также обеспечивает защитный, смазывающий слой, позволяющий костям проходить друг над другом без трения. В течение многих лет ученые пытались создать синтетический материал со свойствами хряща.
На сегодняшний день у них были смешанные результаты.
Но в статье, опубликованной в журнале Applied Polymer Materials, исследователи из Университета Лидса и Имперского колледжа Лондона объявили, что они создали материал, который функционирует как хрящ.
Исследовательская группа считает, что материал, похожий на хрящ, может найти широкое применение в инженерии.
Хрящ – это двухфазный пористый материал, то есть он существует в твердой и жидкой фазах.
Он переключается в жидкую фазу, поглощая вязкое вещество, образующееся в суставах, называемое синовиальной жидкостью. Эта жидкость не только смазывает суставы, но и, удерживаясь в пористой матрице хряща, обеспечивает гидроупругую подушку против сил сжатия.
Поскольку хрящ пористый, синовиальная жидкость в конечном итоге стекает, и при этом она помогает рассеивать энергетические силы, проходящие по телу, защищая суставы от износа и травм от ударов.
В этот момент хрящ возвращается в свою фазу продажи, готовый к повторению цикла.
Доктор Сиаваш Солтанахмади, научный сотрудник Школы машиностроения в Лидсе, который руководил исследованием, сказал: «Ученые и инженеры в течение многих лет пытались разработать материал, обладающий удивительными свойствами хряща. Теперь мы разработали материал для инженерных приложений, который имитирует некоторые из наиболее важных свойств, обнаруженных в хрящах, и это стало возможным только потому, что мы нашли способ имитировать то, как это делает природа.
«В машиностроении есть много применений для синтетического материала, который является мягким, но может выдерживать большие нагрузки с минимальным износом, например, в подшипниках.
В инженерии есть потенциал для материала, который ведет себя как хрящ."
Более ранние попытки разработать синтетическую хрящевую систему были сосредоточены на использовании гидрогелей, материалов, которые поглощают воду. Гидрогели хороши в снижении трения, но плохо работают под действием сжимающей силы.
Одна из проблем заключается в том, что гидрогелю требуется время, чтобы вернуться к своей нормальной форме после сжатия.
Исследователи преодолели эту проблему, создав синтетический пористый материал из гидрогеля, удерживаемого в матрице из полидиметилсилоксана или ПДМС – полимера на основе силикона. Матрица сохраняет форму гидрогеля.
В статье ученые сообщают, что несущая способность гидрогеля, удерживаемого в матрице PDMS, была в 14-19 раз выше, чем у гидрогеля сам по себе.
Равновесный модуль упругости композита составлял 452 кПа в диапазоне деформации 10-30%, что близко к значениям, указанным для модуля упругости испытанного хряща.
Гидрогель также обеспечивает смазывающий слой.
Ученые считают, что будущее применение нового материала, основанного на функции хряща, бросит вызов многим традиционным инженерным системам с масляной смазкой.
Доктор Майкл Брайант, доцент Школы машиностроения, который руководил исследованием, сказал; «Возможность использовать воду в качестве эффективной смазки имеет множество применений, от производства энергии до медицинских устройств.
Однако это часто требует другого подхода по сравнению с традиционными инженерными системами, в которых часто используются смазочные материалы на масляной основе и покрытия для твердых поверхностей.
«Этот проект помог нам лучше понять эти требования и разработать новые инструменты для решения этой проблемы."