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。
因此臨床上會尋找軟骨替代品來進(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，美國杜克大學(xué)Benjamin J. Wiley研究團(tuán)隊(duì)通過模擬軟骨結(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)水凝膠中來實(shí)現(xiàn)的，因此將其稱為BC–PVA–PAMPS水凝膠。水凝膠被拉伸時(shí)，BC以類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。對于PVA來說，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)與周圍軟骨的變形相匹配。
大量文獻(xiàn)表明滲透壓對軟骨的抗壓強(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)
研究人員測試了BC–PVA–PAMPS水凝膠及對比樣品的摩擦系數(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)拉伸測試結(jié)果，表明BC–PVA–PAMPS水凝膠在10萬個(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10萬次循環(huán)中表現(xiàn)出與軟骨等效的疲勞強(qiáng)度。BC-PVA-PAMPS沒有細(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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