Den tunna, hala broskskikt mellan benen i knäet är magiska saker:tillräckligt stark för att tåla en persons vikt, men tillräckligt mjuk och smidig för att dämpa fogen mot stötar, över årtionden av upprepad användning. Den kombinationen av mjuk men ändå stark har varit svår att reproducera i labbet. Men nu, Forskare vid Duke University säger att de har skapat en experimentell gel som är den första som matchar styrkan och hållbarheten hos den äkta varan.

Materialet kan se ut som en avlägsen kusin till Jell-O – vilket det är – men det är otroligt starkt. Det är 60% vatten, men en enda kvartsstor skiva kan bära vikten av en 100-kilos kettlebell utan att slita eller förlora sin form.

Dess utvecklare säger att det är den första hydrogelen - ett material tillverkat av vattenabsorberande polymerer - som kan motstå ryckningar och tunga belastningar såväl som mänskligt brosk, utan att slitas ut med tiden.

Leds av Duke kemi- och materialvetare Ben Wiley och Ken Gall, forskningen kan en dag erbjuda människor med knäbesvär en ersättning för skadat brosk, och ett alternativ till 600, 000 knäprotesoperationer utförs i USA varje år.

En slät gummiliknande vävnad som täcker benändarna och gör att de glider smidigt mot varandra, brosk hjälper till att absorbera en enorm mängd kraft med varje steg - vanligtvis mellan två och tre gånger din kroppsvikt.

Dock, brosk har också begränsad förmåga att läka och reparera sig själv. En gång buren av ålder, överanvändning eller trauma som det är svårt att behandla, sa Gall, professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke.

För patienter som vill undvika eller skjuta upp en knäledsplastik som bara kan pågå i 20 år, konstgjort brosk kan hjälpa. Hydrogeler har utforskats för användning som brosksubstitut sedan 1970-talet och används i mjuka kontaktlinser och engångsblöjor. Forskare attraheras av dessa material på grund av deras hala, stötdämpande egenskaper och för att de inte skadar närliggande celler. Men hittills har de visat sig vara för svaga för att användas i bärande leder som knäet.

Duke-teamet ville ändra på det. "Vi bestämde oss för att göra den första hydrogelen som har broskets mekaniska egenskaper, sa Wiley, en kemiprofessor vid Duke.

Den nya hydrogelen består av två sammanflätade polymernätverk:ett gjort av stretchiga spagettiliknande strängar och det andra mer styvt och korglikt, med negativa laddningar längs deras längd. Dessa är förstärkta med en tredje ingrediens, ett nät av cellulosafibrer.

När gelén sträcks, cellulosafibrerna motstår att dra och hjälper till att hålla ihop materialet. Och när den är klämd, de negativa laddningarna längs de stela polymerkedjorna stöter bort varandra och fastnar på vatten, hjälper den att återgå till sin ursprungliga form.

"Endast denna kombination av alla tre komponenterna är både flexibel och styv och därför stark, " sa medförfattaren Feichen Yang, som fick en kemi Ph.D. i Wileys labb.

När forskarna jämförde det resulterande materialet med andra hydrogeler, deras var den enda som var stark som brosk under både klämning och stretching.

I ett experiment, laget utsatte det för 100, 000 cykler av upprepad dragning, och materialet höll lika bra som poröst titan som används för benimplantat, "som överträffade våra initiala förväntningar, " sa medförfattaren William Koshut, en Ph.D. student i Galllabbet.

De gnuggade också det nya materialet mot naturligt brosk en miljon gånger. De fann att det är smidigt, hala självsmörjande yta är lika slitstark som den äkta varan och fyra gånger mer slitstark än syntetiska broskimplantat som för närvarande är FDA-godkända för användning i stortån.

Att flytta materialet från labbet till kliniken skulle ta ytterligare minst tre år, sa Wiley. Initiala säkerhetstester tyder på att materialet är icke-toxiskt för labbodlade celler. Nästa steg är att designa ett implantat som de kan testa på får.

Men teamet säger att forskningen så småningom kan erbjuda nya alternativ för personer med knäsmärta, och få dem tillbaka till att göra saker de älskar utan de långa återhämtningstiderna och begränsade livslängden som är förknippade med broskreparation eller knäbytesoperationer.