Receptfria smärtstillande medel, sjukgymnastik, steroidinjektioner - vissa människor har provat allt och har fortfarande att göra med knäsmärta.

Ofta kommer knäsmärta från det progressiva slitaget av brosk som kallas artros, som drabbar nästan en av sex vuxna – 867 miljoner människor – över hela världen. För dem som vill undvika att byta ut hela knäleden kan det snart finnas ett annat alternativ som kan hjälpa patienter att komma på fötter snabbt, smärtfritt och förbli så.

Skriva i tidskriften Avancerat funktionellt material , säger ett team som leds av Duke University att de har skapat det första gelbaserade brosksubstitutet som är ännu starkare och mer hållbart än den äkta varan.

Mekaniska tester visar att Duke-teamets hydrogel – ett material tillverkat av vattenabsorberande polymerer – kan pressas och dras med mer kraft än naturligt brosk och är tre gånger mer motståndskraftigt mot slitage.

Implantat gjorda av materialet utvecklas för närvarande av Sparta Biomedical och testas på får. Forskare rustar för att påbörja kliniska prövningar på människor nästa år.

"Om allt går enligt plan bör den kliniska prövningen starta så snart som i april 2023", säger Duke kemiprofessor Benjamin Wiley, som ledde forskningen tillsammans med Duke, professor i maskinteknik och materialvetenskap Ken Gall.

För att tillverka detta material tog Duke-teamet tunna ark av cellulosafibrer och infunderade dem med en polymer som kallas polyvinylalkohol – en trögflytande smuts som består av trådiga kedjor av upprepade molekyler – för att bilda en gel.

Cellulosafibrerna fungerar som kollagenfibrerna i naturligt brosk, sa Wiley - de ger gelen styrka när de sträcks. Polyvinylalkoholen hjälper den att återgå till sin ursprungliga form. Resultatet är ett Jello-liknande material, 60 % vatten, som är smidigt men ändå förvånansvärt starkt.

Naturligt brosk tål jättestora 5 800 till 8 500 pounds per tum av ryck och squishing, respektive innan det når bristningsgränsen. Deras labbtillverkade version är den första hydrogelen som klarar ännu mer. Det är 26 % starkare än naturligt brosk i spänning, ungefär som att hänga upp sju flyglar från en nyckelring och 66 % starkare i kompression – vilket skulle vara som att parkera en bil på ett frimärke.

"Det är verkligen utanför diagrammet när det gäller hydrogelstyrka," sa Wiley.

Teamet har redan gjort hydrogeler med anmärkningsvärda egenskaper. År 2020 rapporterade de att de hade skapat den första hydrogelen som är stark nog för knäna, som känner kraften från två till tre gånger kroppsvikten med varje steg.

Att använda gelen praktiskt som broskersättning innebar dock ytterligare designutmaningar. En var att uppnå de övre gränserna för broskets styrka. Aktiviteter som att hoppa, longera eller gå i trappor sätter ett tryck på cirka 10 megapascal på brosket i knäet, eller cirka 1 400 pund per kvadrattum. Men vävnaden kan ta upp till fyra gånger så mycket innan den går sönder.

"Vi visste att det fanns utrymme för förbättringar," sa Wiley.

Tidigare använde forskare som försökte skapa starkare hydrogeler en frys-tina-process för att producera kristaller i gelén, som driver ut vatten och hjälper till att hålla ihop polymerkedjorna. I den nya studien, istället för att frysa och tina hydrogelen, använde forskarna en värmebehandling som kallas glödgning för att få ännu fler kristaller att bildas i polymernätverket.

Genom att öka kristallinnehållet kunde forskarna producera en gel som tål fem gånger så mycket stress från att dra och nästan dubbelt så mycket klämning jämfört med frys-upptiningsmetoder.

Den förbättrade styrkan hos den glödgade gelén hjälpte också till att lösa en andra designutmaning:att fästa den vid fogen och få den att stanna kvar.

Brosk bildar ett tunt lager som täcker benändarna så att de inte maler mot varandra. Tidigare studier har inte kunnat fästa hydrogeler direkt på ben eller brosk med tillräcklig styrka för att hindra dem från att lossna eller glida av. Så Duke-teamet kom på ett annat tillvägagångssätt.

Deras sätt att fästa involverar cementering och klämning av hydrogelen till en titanbas. Denna pressas sedan och förankras i ett hål där det skadade brosket brukade vara. Tester visar att designen förblir fäst 68 % fastare än naturligt brosk på ben.

"En annan oro för knäimplantat är slitage över tiden, både av själva implantatet och det motsatta brosket," sa Wiley.

Andra forskare har försökt ersätta skadat brosk med knäimplantat av metall eller polyeten, men eftersom dessa material är styvare än brosk kan de skava mot andra delar av knät.

I slitagetester tog forskarna konstgjort brosk och naturligt brosk och snurrade dem mot varandra en miljon gånger, med ett tryck liknande det som knät upplever under gång. Med hjälp av en högupplöst röntgenteknik som kallas mikrodatortomografi (mikro-CT), fann forskarna att ytan på deras labbtillverkade version höll tre gånger bättre än den verkliga varan. Men eftersom hydrogelen efterliknar den släta, hala, dämpande naturen hos äkta brosk, skyddar den andra ledytor från friktion när de glider mot implantatet.

Naturligt brosk är anmärkningsvärt hållbart. Men när den väl är skadad har den begränsad förmåga att läka eftersom den inte har några blodkärl, sa Wiley.

I USA är artros dubbelt så vanligt idag än för ett sekel sedan. Kirurgi är ett alternativ när konservativa behandlingar misslyckas. Under decennierna har kirurger utvecklat ett antal minimalt invasiva metoder, som att ta bort löst brosk, göra hål för att stimulera ny tillväxt eller transplantera friskt brosk från en donator. Men alla dessa metoder kräver månader av rehab, och en del av dem misslyckas med tiden.

Generellt betraktad som en sista utväg är total knäprotes ett beprövat sätt att lindra smärta. Men konstgjorda leder varar inte för evigt heller. Särskilt för yngre patienter som vill undvika större operationer för en enhet som bara behöver bytas ut igen, sa Wiley, "det finns helt enkelt inga bra alternativ där ute."

"Jag tror att detta kommer att vara en dramatisk förändring av behandlingen för människor i det här skedet," sa Wiley. + Utforska vidare

Från labbet, den första broskhärmande gelén som är stark nog för knäna