Neprůstřelná vesta + alkohol =  
umělá chrupavka
I když je umělá chrupavka převážně z vody, je pevná a jak je patrné z obrázku, na němž je zkroucená do vrtule, je i vůči zlomu vysoce odolná. Kredit: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing
I když je umělá chrupavka převážně z vody, je pevná, a jak je patrné z obrázku, na němž je zkroucená do vrtule, je i vůči zlomu vysoce odolná. Kredit: Joseph Xu, Michigan Engineering Communications & Marketing

Tak jako fyzikové mají svou lehkou a těžkou vodu, my biologové máme „tvrdou“ vodu. Je v chrupavce. Chrupavka je totiž takovým malým zázrakem - odolává v těle těm největším tlakům a přitom to je z 80 procent jen samá voda. Vyrobit v laboratoři imitaci něčeho tak pevného, odolného a pružného, a aby se to ještě zamlouvalo imunitnímu systému, tak to zatím bylo nad lidské síly. Snad už není.

 

V 6. století před naším letopočtem, tedy dříve než jsme se začali ztotožňovat spíš s prachem v který se obracíme, iónský filosof Thalés z Milétu své učedníky (v dnešním Turecku), kromě geometrie učil, že základní element všeho je voda. Z množstevního pohledu na věc nebyl tak daleko od pravdy a to nejen v případě chrupavky, ale všeho živého.
V 6. století před naším letopočtem, tedy dříve než jsme se začali ztotožňovat spíš s prachem, v který se obracíme, iónský filosof Thalés z Milétu své učedníky (v dnešním Turecku) kromě geometrie učil, že základní element všeho je voda. Z množstevního pohledu na věc nebyl tak daleko od pravdy, a to nejen v případě chrupavky, ale všeho živého.

Pohybový aparát je chrupavkami doslova prošpikován. Hodí se nám například při běhu. Při každém doskoku je vystavena silným rázům. Musí být pevná. To jí propůjčují proteiny. Spolu s dalšími biomolekulami vytvářejí uvnitř komůrky vyplněné vodnatou tekutinou. Stěny v nich nedovolují proudění kapaliny, a tak se při zatížení  síťová struktura přeuspořádává. Nějaká voda se při tlaku z komůrek přece jen vytlačí. Chrupavka se tím stává ohebnější, ale všeho moc škodí, a proto je dobré  při běhu dělat přestávky. Umožňují zpětnou resorpci vody a chrupavka se tím vrátí ke své vynikající schopnosti tlumit rázy.

 

Aramid, přesněji para-aramid, nebo také PPTA (poly(p-phenylene terephthalamide), je známější pod obchodní značkou Kevlar a v roli neprůstřelných vest. Pokud ale jeho vlákna  o průměru 5–30 nm nastříháme na délku 3–10 mikrometrů, dostaneme perfektní materiál na zpevnění hydrogelu.
Aramid, přesněji para-aramid, nebo také PPTA (poly(p-phenylene terephthalamide), je známější pod obchodní značkou Kevlar a v roli neprůstřelných vest. Pokud ale jeho vlákna o průměru 5–30 nm nastříháme na délku 3–10 mikrometrů, dostaneme perfektní materiál na zpevnění hydrogelu.

Syntetická chrupavka popsanou strategii zvládá rovněž. Pod tlakem vodu uvolňuje, aby ji vzápětí zase nasála jako houba. Zotavuje se prakticky stejně, jako ta skutečná chrupavka. Dva rozdíly mezi nimi ale přece jen jsou. Trámčitou síť netvoří proteiny, ale aramidová nanovlákna. A vodu v materiálu udržuje polyvinylalkohol.  Když tato umělá náhražka obsahuje 70 procent vody, má vlastnosti pryže. Když nasaje vody ještě víc, začne připomínat chrupavku a pevností se jí může rovnat i v případě, kdy už má v sobě 92 % vody.

 

Skutečná chrupavka, přesto, že do ní nevedou cévy ani nervy, není „mrtvá“. Neustále se  obnovuje. Tak jako kost udržují ve formě buňky zvané osteocyty, chrupavka má za stejným účelem chondrocyty. Buňky chondrocyty jsou individualisté. Žijí si v poklidu v síti kolagenních vláken v lokalitách zvaných lakuny. Necítí potřebu se s dalšími buňkami kamarádit a ani se samy nemnoží. Výživu jim až pod nos přinese kloubní tekutina. I v poklidu si žijící chondrocyty je ale třeba čas od času obměnit. Ty nové do chrupavky přicestují zvenčí – vznikají přeměnou povrchových fibroblastů (buněk kůže). Chrupavku ale hlavně tvoří kyselina hyaluronová, kolagen a glykany. V umělé chrupavce nahrazuje síť z kolagenu síť z aramidových vláken. Ta jsou organismem tolerována. Ani druhá složka umělé chrupavky – polyvinylalkohol, chondrocytům nebrání, aby se v jeho přítomnosti nemohly cítit „jako doma“.


Polyvinylalkohol (PVA), nebo také PVOH, případně PVAL.  Aby umělá chrupavka oplývala pružností, je třeba aby obsahovala polyvinylalkohol shopný vázat vodu. Pokud se jeho molekuly navážou na aramidová vlákna pomocí vodíkových vazeb, získá výsledný produkt vlastnosti, jakými oplývá přirozená chrupavka.     https://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_alcohol
Polyvinylalkohol (PVA), nebo také PVOH, případně PVAL. Aby umělá chrupavka oplývala pružností, je třeba, aby obsahovala polyvinylalkohol shopný vázat vodu. Pokud se jeho molekuly navážou na aramidová vlákna pomocí vodíkových vazeb, získá výsledný produkt vlastnosti, jakými oplývá přirozená chrupavka.

Jak to, že se na tak snadnou a levnou náhradu nepřišlo už dříve?

 

Protože je v přípravě malý háček. Kdyby někdo začal hydrogel vyrábět tak, jak se to logicky nabízí, se zlou se potáže. S rozpuštěním polyvinylalkoholu ve vodě nebude problém. I nanovlákna se dají přidat. Výsledným produkt bude také hydrogel, nicméně takto klasicky připravený se bude chovat spíš jako huspenina. Snadno se vydrolí a rozpadne. Aby gel pořádně držel pohromadě, je třeba jej k nanovláknům „přilepit“. Podstatou nynějšího objevu je, že se na věc jde oklikou. Místo neškodného hydrogelu se nejprve připraví jedovatý gel s rozpouštědlem DMSO. DMSO, celým jménem dimetylsulfoxid, je bezbarvá kapalina. Snadno přechází přes kůži, a kdo s ní pracuje, krevní oběh mu ji zanese až k chuťovým pohárkům. Výsledkem pak je v ústech pocit, jako po topince s česnekem. V našem případě je kapalina zajímavá ještě tím, že se v ní rozpouští polyvinylalkohol.

 

Syntetická chrupavka pohledem elektronového mikroskopu. Kredit: Lizhi Xu, Kotovova laboratoř, University of Michigan.
Syntetická chrupavka pohledem elektronového mikroskopu. Kredit: Lizhi Xu, Kotovova laboratoř, University of Michigan.

Správná kuchařka na výrobu umělé chrupavky vypadá zhruba následovně: Vraž do hrnce s dimetylsulfoxidem špetku nanovláken nasekaných na délku deset mikrometrů a méně. Za stálého míchání přisyp přehršli polyvinylalkoholu. Hydroxylovým skupinám na molekulách polyvinylalkoholu rozpouštědlo dimetylsulfoxid usnadní intermolekulární interakci s aramidovými nanovlákny a tvorbu vodíkových vazeb. Ty pak fungují jako lepidlo i poté, když dimetylsulfoxid vakuovou pumpou odpaříme a nahradíme ho vodou. Takto připravený hydrogel drží na vláknech jako přibitý, zachovává si tvar i pružnost a pro lidské buňky je netoxický. Proto je u něj velká šance, že i klinické testy s takto vylepšenými kotníky, koleny, lokty či páteří, dopadnou také dobře.

 

 

Buňkám v syntetické matrici chrupavky se daří skvěle. Zelené jsou naživu, do mrtvých prostoupilo červené barvivo. To, že červených je více než poskrovnu, je velkým příslibem klinické aplikovatelnosti.  Kredit: Lizhi Xu.  (Kotov lab. University of Michigan).
Buňkám v syntetické matrici chrupavky se daří skvěle. Zelené jsou naživu, do mrtvých prostoupilo červené barvivo. To, že červených je více než poskrovnu, je velkým příslibem klinické aplikovatelnosti. Kredit: Lizhi Xu. (Kotov lab. University of Michigan).

 

 

Závěr

Poslední dobou se výzkumníkům s těžko vyslovitelnými jmény kouzlení s rozpouštědly na síťovaných materiálech daří a to jak v Evropě, tak i v zámoří. Na Manchesterské universitě parta Q. Yang, , Y. Su, C. Chi, C. T. Cherian, K. Huang,… ,  slavila úspěch s filtrováním whisky. Dosud platilo, že z grafén-oxidu lze vyrobit „filtry“ propouštějící vodu, ale ne organická rozpouštědla, což už týden neplatí. V Michigenu zase  Lizhi Xu, Xueli Zha,… sklízí ovace za organickým rozpouštědlem vyrobenou umělou chrupavku. I když u přípravy chrupavky asistovala armáda, držíme těm za Velkou louží palce o něco víc, než asijským našincům zpoza kanálu La Manche.


Literatura

Lizhi Xu et al. Water-Rich Biomimetic Composites with Abiotic Self-Organizing Nanofiber Network, Advanced Materials (2017). DOI: 10.1002/adma.201703343

University of Michigan
Q. Yang et al. Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation, Nature Materials (2017). DOI: 10.1038/nmat5025

Datum: 20.11.2017
Tisk článku

Léčení solí a minerálními vodami - Schweiger Anita
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 228 Kč
cena: 202 Kč
Léčení solí a minerálními vodami
Schweiger Anita
Související články:

Problém implantátů vyřeší nanokrystaly     Autor: Josef Pazdera (10.07.2006)
Antikoncepce může ženám rozjasnit tvář, ale i zkřivit prsty     Autor: Josef Pazdera (24.11.2014)
Bolí vás klouby? Spolkněte tyhle hlísty     Autor: Josef Pazdera (15.06.2016)
Tkáňové inženýrství má na kontě další úspěch – chrupavku kyčle     Autor: Josef Pazdera (21.07.2016)



Diskuze:

Asiaté

Alexandr Kostka,2017-11-21 17:35:28

Dovolil bych si okomentovat poslední odstavec. Není to jen biochemie a biologie. Výzkumníci s jmény psanými rozsypaným čajem, případně v Sanskrtu (neboli Indové) jsou dnes podepsaní snad pod každým výzkumem. Všude kde je tým je minimálně jeden spoluautor šikmooký, a velice často se druhý jmenuje Singh. Problém je spíš to, že zatím valnou část svého výzkumu dělají v USA. Ovšem jejich mateřské země do vědy a vývoje obrovsky investují a lákají je "zpátky domů". A ono je to docela silné lákadlo, když si uvědomíte, že mladík co v USA vystudoval následně kolik let dělá asistenta nějakému profesorovi. Za nevelký plat, na rozvíjení vlastních nápadů nemá ani čas, ani žádný oficiální rozpočet. V nejlepším případě má na vlastní projekt neoficiální povolení šéfa užívat laboratoř ve svém volnu a často ani to ne. A vzhledem k podfinancování projektů mohou také "šéfa" pomalu ze dne na den zrušit. A teď do toho přijde nabídka "z domova". Plat 3x větší, být svým vlastním pánem, mít tam svou vlastní laboratoř, svůj projekt, své asistenty. A jistotu že ten projekt je na kolik let, ne že má grant na rok a pak finito. Někteří samozřejmě nepodlehnou. Jiní ano. A toto není obrazný popis, ale realita, která se děje již pár let.

Odpovědět


Re: Asiaté

Josef Hrncirik,2017-11-23 07:42:19

Je to velmi aktuální výzkum.
Nejen Sinn Féin, ale i ETA, Taliban a ISIS prostřelují zrádcům levé koleno.

Odpovědět


Na obr.3 určitě není nanovlákno 5-30 nm, sekané na 1-3 um. Odfoukl jim ho průvan? Už to stihli znovu nasekat?

Josef Hrncirik,2017-11-23 07:48:41

Odpovědět


Re: Na obr.3 určitě není nanovlákno 5-30 nm, sekané na 1-3 um. Odfoukl jim ho průvan? Už to stihli znovu nasekat?

Josef Pazdera,2017-11-23 15:32:21

Na obrázku jsou nasekaná vlákna kevlaru z jakých se vyrábí například ony citované neprůstřelné vesty. Nejspíš Vám ale unikl konec popisky pod obrázkem: „Pokud ale jeho vlákna o průměru 5–30 nm nastříháme na délku 3–10 mikrometrů, dostaneme perfektní materiál na zpevnění hydrogelu.“ Protože v takovém případě jde o velikost menší než je průměr erytrocytu, nebylo by toho na fotografii moc vidět. Proto je v článku ještě jeden snímek. Ten je pořízen elektronovým mikroskopem. Je nazván „syntetická chrupavka“ a na něm jsou již vlákna, která autoři ve svém projektu použili dobře patrná. Pokud Vás napadnou lepší texty pod popisky, rád upravím.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace