Η επισκευή ή η αντικατάσταση τραυματισμένων τενόντων ή παρόμοιων ιστών που φέρουν φορτίο αντιπροσωπεύει μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην κλινική ιατρική. Οι φυσικοί τένοντες είναι ιστοί πλούσιοι σε νερό που παρουσιάζουν εξαιρετική μηχανική αντοχή και ανθεκτικότητα. Οι μηχανικές τους ιδιότητες προέρχονται από εξελιγμένες δομές μικροκλίμακας που περιλαμβάνουν άκαμπτα ινίδια κολλαγόνου ευθυγραμμισμένα παράλληλα και συμπλεγμένα με μαλακά βιοπολυμερή που συγκρατούν το νερό.
Τις τελευταίες δεκαετίες, οι ερευνητές προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν συνθετικές υδρογέλες, μια κατηγορία υλικών πλούσιων σε νερό που περιλαμβάνουν δίκτυα πολυμερών, για να αναπαράγουν τις δομές και τις ιδιότητες των φυσικών τενόντων. Παραμένει δύσκολο αφού οι συνθετικές υδρογέλες είναι συνήθως αδύναμες και εύθραυστες. Η επίλυση αυτής της αναντιστοιχίας θα επέτρεπε κρίσιμες εφαρμογές στην επισκευή ιστών, στα βιοϊατρικά ρομπότ, στις εμφυτεύσιμες συσκευές και σε πολλές άλλες τεχνολογίες.
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Δρ. Lizhi Xu του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών στη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ (HKU) ανέπτυξε έναν νέο τύπο τενοντομιμητικής υδρογέλης με εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες που ταιριάζουν με αυτές των φυσικών τενόντων σε συνδυασμό με πολυλειτουργικότητες για βιοϊατρικές εφαρμογές. Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Science Advances, σε άρθρο με τίτλο «Πολυλειτουργικές τενοντο-μιμητικές υδρογέλες». Η έρευνα παρουσιάστηκε επίσης στο Nature ως Research Highlight.
Σε αυτή τη μελέτη, νανοΐνες αραμιδίου που προέρχονται από το Kevlar, ένα πολυμερές υλικό που χρησιμοποιείται σε αλεξίσφαιρα γιλέκα και κράνη, αναμίχθηκαν με πολυβινυλική αλκοόλη, ένα άλλο συνθετικό πολυμερές, για την κατασκευή τενοντο-μιμητικών υδρογέλης. Με την εφελκυστική τάση που εφαρμόζεται κατά τη διαδικασία κατασκευής, οι νανοΐνες αραμιδίου ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους σύμφωνα με την κατεύθυνση τάνυσης, οδηγώντας σε ένα ανισότροπο δίκτυο που μιμείται τα δομικά χαρακτηριστικά των φυσικών τενόντων.
Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των άκαμπτων νανοϊνών και των μαλακών πολυμερών προσδίδουν περαιτέρω υψηλή μηχανική σκληρότητα στα σύνθετα υλικά. Αυτή η υδρογέλη αποτελείται από 60% νερό ενώ παρουσιάζει εξαιρετικό συντελεστή Young ~ 1 GPa και αντοχή ~ 80 MPa, υπερτερώντας σε τάξεις μεγέθους άλλες συνθετικές υδρογέλες. Η επιφάνεια των υδρογελών μπορεί να λειτουργήσει περαιτέρω για να κατευθύνει τις συμπεριφορές των κυττάρων ή να ενσωματωθεί με μαλακούς βιοηλεκτρονικούς αισθητήρες.
“Αναπτύξαμε μια πλατφόρμα βιομιμητικών υλικών για προηγμένες βιοϊατρικές εφαρμογές. Τα δομικά στοιχεία των υλικών κατέλαβαν πολλά δομικά χαρακτηριστικά των φυσικών τενόντων, οδηγώντας σε εκπληκτικές ιδιότητες που είναι απρόσιτες με άλλες συνθετικές υδρογέλες”, είπε ο Δρ Xu, προσθέτοντας ότι “αυτές οι υδρογέλες δεν είναι μόνο μηχανικά ισχυρό αλλά και λειτουργικό με βιοενεργά μόρια και μαλακούς ηλεκτρονικούς αισθητήρες, παρέχοντας κρίσιμες δυνατότητες για επισκευή ιστών και εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές».