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.

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.

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.

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.

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).

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