膝蓋骨頭之間薄而滑的軟骨是一層神奇的東西：它很堅(jiān)固，能夠承受一個(gè)人活動(dòng)的沖擊，但又很柔軟，不會(huì)使人體產(chǎn)生不適。然而這種“剛與柔”的組合修復(fù)能力有限，每年在世界上都有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人遭受骨端關(guān)節(jié)軟骨損傷，其中膝關(guān)節(jié)最常見(jiàn)。
因此臨床上會(huì)尋找軟骨替代品來(lái)進(jìn)行軟骨病變的治療，從而延遲全膝關(guān)節(jié)置換。水凝膠主要由水組成且滲透率低，摩擦系數(shù)（COF）非常低，因此可以被廣泛地用作軟骨替代品。然而，當(dāng)前的水凝膠在循環(huán)載荷和磨損方面不具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐久性，不能用作承載軟骨的替代物。
亮點(diǎn)
近期，美國(guó)杜克大學(xué)Benjamin J. Wiley研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬軟骨結(jié)構(gòu)，首次合成了在拉伸和壓縮時(shí)均具有軟骨強(qiáng)度和模量的水凝膠，同時(shí)該水凝膠首次在10萬(wàn)次循環(huán)中表現(xiàn)出與軟骨等效的拉伸疲勞強(qiáng)度。這些特性是通過(guò)將細(xì)菌纖維素（BC）納米纖維網(wǎng)絡(luò)浸入聚乙烯醇（PVA）-聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉鹽）（PAMPS）雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此將其稱(chēng)為BC–PVA–PAMPS水凝膠。水凝膠被拉伸時(shí)，BC以類(lèi)似于軟骨中膠原蛋白的方式提供拉伸強(qiáng)度，而被擠壓時(shí)，PAMPS提供固定的負(fù)電荷和滲透恢復(fù)力，沿著剛性聚合物鏈的負(fù)電荷會(huì)相互排斥，從而幫助其恢復(fù)形狀。
該水凝膠具有與軟骨相同的聚合模量和滲透性，從而在有限壓縮下產(chǎn)生相同的隨時(shí)間變化的變形。這種水凝膠無(wú)細(xì)胞毒性，摩擦系數(shù)比軟骨低45%，且耐磨性是聚乙烯醇水凝膠的4.4倍。因此該水凝膠在替代受損軟骨材料方面具有巨大潛力。
BC–PVA–PAMPS水凝膠的制備
首先，將一塊BC壓制到受控厚度，在135°C的PVA水溶液中浸泡24小時(shí)，將PVA溶液擴(kuò)散到BC中。然后將BC-PVA水凝膠冷凍30分鐘，解凍至室溫以物理交聯(lián)PVA網(wǎng)絡(luò)。將BC-PVA水凝膠浸泡在AMPS， MBAA， I2959和過(guò)硫酸鉀（KPS）溶液中24小時(shí)。最后固化得到BC–PVA–PAMPS水凝膠。
如圖1所示，通過(guò)使用“雙網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)組合兩個(gè)水凝膠，BC–PVA–PAMPS水凝膠由兩個(gè)相互纏繞的聚合物網(wǎng)絡(luò)組成：一個(gè)為可拉伸的線狀結(jié)構(gòu)，另一個(gè)為剛性結(jié)構(gòu)并帶有負(fù)電荷，同時(shí)用纖維素納米網(wǎng)增強(qiáng)。
成分對(duì)強(qiáng)度和模量的影響
在不同PVA分子量和不同濃度的BC-PVA-PAMPS水凝膠上進(jìn)行了30次機(jī)械測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。BC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.9％，22.1％或49.8％時(shí)，該水凝膠具有軟骨當(dāng)量的拉伸和壓縮強(qiáng)度，但只有BC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.1％時(shí)水凝膠具有軟骨當(dāng)量的拉伸模量。對(duì)于PVA來(lái)說(shuō)，分子量從77000增加到146000 g/mol時(shí)可以使水凝膠的拉伸和壓縮強(qiáng)度提高到軟骨當(dāng)量范圍內(nèi)，這種增加的強(qiáng)度歸因于聚合物鏈之間氫鍵的增加和纏結(jié)。增加AMPS濃度會(huì)增加拉伸模量和壓縮模量。加入適當(dāng)?shù)腁MPS可為該水凝膠提供與軟骨等效的機(jī)械性能。
密閉壓縮下的蠕變
等效軟骨的水凝膠不僅需要模擬軟骨的強(qiáng)度和模量，而且還要模擬隨時(shí)間變化的機(jī)械性能。如圖3所示，BC–PVA–PAMPS水凝膠的蠕變曲線與豬軟骨相似。BC–PVA–PAMPS水凝膠的滲透性也在人類(lèi)軟骨值的范圍內(nèi)，如果將BC–PVA–PAMPS水凝膠植入患者的膝蓋，其隨時(shí)間變化的變形應(yīng)與周?chē)浌堑淖冃蜗嗥ヅ洹?/p>
大量文獻(xiàn)表明滲透壓對(duì)軟骨的抗壓強(qiáng)度有重要貢獻(xiàn)，因此BC-PVA-PAMPS水凝膠具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和模量可以歸因于PAMPS提供的大的固定負(fù)電荷密度所產(chǎn)生的滲透壓。
耐磨性及摩擦系數(shù)
研究人員測(cè)試了BC–PVA–PAMPS水凝膠及對(duì)比樣品的摩擦系數(shù)（COF）。如圖4A所示，BC–PVA–PAMPS的COF（0.06）不僅在先前研究的軟骨替代水凝膠中最低，也比豬關(guān)節(jié)軟骨（0.11）低45%。該水凝膠具有較低的COF歸因于PAMPS網(wǎng)絡(luò)的負(fù)電荷以及BC在減少AMPS浸泡過(guò)程中水凝膠溶脹中的作用。
水凝膠的耐磨性如圖4B所示，其他水凝膠的最大磨損深度是BC–PVA–PAMPS水凝膠的2.6–4.4倍，BC-PVA-PAMPS的磨損深度甚至比豬軟骨小14%。我們將這種優(yōu)異的耐磨性歸因于BC-PVA-PAMPS水凝膠的低COF、高模量和高強(qiáng)度。
抗疲勞性
軟骨在體內(nèi)會(huì)經(jīng)歷周期性應(yīng)力，因此表征軟骨替代材料的疲勞特性至關(guān)重要。圖5顯示了BC–PVA–PAMPS水凝膠的循環(huán)拉伸測(cè)試結(jié)果，表明BC–PVA–PAMPS水凝膠在10萬(wàn)個(gè)循環(huán)中表現(xiàn)出顯著的高疲勞強(qiáng)度，為8.62 MPa，與85％多孔3D打印鈦金屬相當(dāng)。這歸因于PVA可以充當(dāng)增韌劑并消除PAMPS的較差的疲勞性能。BC–PVA–PAMPS的疲勞強(qiáng)度與中年成年人的軟骨疲勞強(qiáng)度相同。
結(jié)論
在這篇文章中，研究人員采用仿生方法制備了第一種具有與人關(guān)節(jié)軟骨相同強(qiáng)度和模量的水凝膠。細(xì)菌纖維素納米纖維以類(lèi)似于軟骨中膠原納米纖維的方式為水凝膠提供了拉伸強(qiáng)度來(lái)源。
PVA提供彈性恢復(fù)力，粘彈性能量耗散，并防止應(yīng)力集中在單個(gè)BC纖維上。PAMPS為水凝膠提供了固定的負(fù)電荷和滲透恢復(fù)力，類(lèi)似于軟骨聚集蛋白聚糖的作用。
BC-PVA-PAMPS水凝膠的模量和滲透性使其在有限壓縮下具有與軟骨相同的時(shí)間依賴性機(jī)械響應(yīng)。BC-PVA-PAMPS水凝膠的摩擦系數(shù)（0.06）約為軟骨的一半，耐磨性是PVA的4.4倍，在10萬(wàn)次循環(huán)中表現(xiàn)出與軟骨等效的疲勞強(qiáng)度。BC-PVA-PAMPS沒(méi)有細(xì)胞毒性，由具有生物相容性的材料組成。因此BC-PVA-PAMPS水凝膠成為修復(fù)軟骨損傷的理想候選材料。
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