Den oöverträffade vätskestyrkan hos brosk, vilket är cirka 80 procent vatten, klarar några av de tuffaste krafterna på våra kroppar.

Syntetiska material kunde inte matcha det - tills "Kevlartilage" utvecklades av forskare vid University of Michigan och Jiangnan University.

"Vi vet att vi mest består av vatten - allt liv gör det - och ändå har våra kroppar mycket strukturell stabilitet, sade Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i teknik vid U-M, som ledde studien. "Att förstå brosk är att förstå hur livsformer kan kombinera egenskaper som ibland är otänkbara tillsammans."

Många personer med ledskador skulle ha nytta av en bra ersättning för brosk, som 850, 000 patienter i USA som genomgår operationer för att ta bort eller ersätta brosk i knäet.

Medan andra sorter av syntetiskt brosk redan genomgår kliniska prövningar, dessa material delas in i två läger som väljer mellan broskegenskaper, oförmögen att uppnå den osannolika kombinationen av styrka och vattenhalt.

De andra syntetiska materialen som efterliknar broskets fysiska egenskaper innehåller inte tillräckligt med vatten för att transportera de näringsämnen som cellerna behöver för att frodas, sa Kotov.

Under tiden, hydrogeler – som införlivar vatten i ett nätverk av långa, flexibla molekyler – kan utformas med tillräckligt med vatten för att stödja tillväxten av kondrocytcellerna som bygger upp naturligt brosk. Ändå är dessa hydrogeler inte särskilt starka. De sliter under påfrestningar en bråkdel av vad brosk klarar av.

Den nya Kevlar-baserade hydrogelen återskapar broskets magi genom att kombinera ett nätverk av tuffa nanofibrer från Kevlar - "aramidfibrerna" som är mest kända för att göra skottsäkra västar - med ett material som vanligtvis används i hydrogelbroskbyten, kallas polyvinylalkohol, eller PVA.

I naturligt brosk, nätverket av proteiner och andra biomolekyler får sin styrka genom att motstå flödet av vatten mellan dess kammare. Trycket från vattnet konfigurerar om nätverket, gör att den kan deformeras utan att gå sönder. Vatten frigörs i processen, och nätverket återhämtar sig genom att absorbera vatten senare.

Denna mekanism möjliggör kraftiga leder, som knän, att stå upp mot straffande krafter. Att springa upprepade gånger slår brosket mellan benen, tvingar ut vatten och gör brosket mer böjligt som ett resultat. Sedan, när löparen vilar, brosket absorberar vatten så att det ger starkt motstånd mot kompression igen.

Det syntetiska brosket har samma mekanism, släpper ut vatten under stress och återhämtar sig senare genom att absorbera vatten som en svamp. Aramid nanofibrerna bygger ramverket för materialet, medan PVA fångar vatten inne i nätverket när materialet utsätts för sträckning eller kompression. Även versioner av materialet som var 92 procent vatten var jämförbara i styrka med brosk, med 70-procentsversionen som uppnår gummits motståndskraft.

Eftersom aramidnanofibrerna och PVA inte skadar intilliggande celler, Kotov förutser att detta syntetiska brosk kan vara ett lämpligt implantat för vissa situationer, såsom de djupare delarna av knät. Han undrar också om kondrocyter kanske kan ta uppehåll i det syntetiska nätverket för att producera ett hybridbrosk.

Men hans potentiella tillämpningar är inte begränsade till brosk. Han misstänker att liknande nätverk, med olika proportioner av aramid nanofibrer, PVA och vatten, kanske kan stå för andra mjukdelar.

"Vi har många membran i kroppen som kräver samma egenskaper. Jag skulle vilja utvärdera utrymmet, " Sa Kotov. "Jag kommer att prata med läkare om var det akuta behovet finns och var denna korsning av fastigheterna kommer att tillåta oss att göra bästa framsteg och största påverkan."

Kotov är medlem av Biointerfaces Institute, som ger delat utrymme för forskare från U-M:s ingenjörs- och medicinhögskolor. Han är också professor i kemiteknik, materialvetenskap och teknik, och makromolekylär vetenskap och teknik.

Studien, nyligen publicerad i Avancerade material , har titeln "Vattenrika biomimetiska kompositer med abiotiskt självorganiserande nanofibernätverk." Det stöddes av National Science Foundation, med ytterligare medel från försvarsdepartementet. Universitetet söker patentskydd och partners för att få ut tekniken på marknaden.