顶刊《AFM》：超强水凝胶问世！有望实现软骨完美修复

水凝胶已被广泛地用作软骨替代品，因为与软骨一样，水凝胶主要由水组成且渗透率低，因此其摩擦系数（COF）非常低。但是，当前的水凝胶在循环载荷和磨损条件下没有足够的机械强度和耐久性来代替软骨。

美国杜克大学化学系Benjamin J.Wiley课题组报道了首个在拉伸和压缩过程中均具有软骨强度和模量的水凝胶，并且在10万次循环中表现出与软骨等效的拉伸疲劳强度。相关研究工作以“A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202003451

通过用聚乙烯醇（PVA）-聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸钠盐）（PAMPS）双网络水凝胶渗透细菌纤维素（BC）纳米纤维网络来实现这些特性。BC提供的抗张强度类似于软骨中的胶原蛋白，而PAMPS提供固定的负电荷和渗透恢复力，类似于软骨聚集蛋白聚糖的作用。水凝胶具有与软骨相同的弹性模量和渗透性，导致在有限压缩条件下产生与时间相关的变形。这种水凝胶没有细胞毒性，摩擦系数比软骨低45％，且耐磨性是PVA水凝胶的4.4倍，的优异特性使其成为替代受损软骨的极佳候选材料。

图1. 拉伸强度与模量测试

图2.A，B）BC–PVA，BC–PAMPS和BC–PVA–PAMPS水凝胶的拉伸和压缩应力-应变曲线；C）BC–PVA–PAMPS水凝胶的制备过程示意图；D，E）BC和BC–PVA–PAMPS水凝胶的SEM图像

图3. A）BC–PVA–PAMPS水凝胶的拉伸强度，B）拉伸模量，C）压缩强度和D）压缩模量

图4 A）BC–PVA–PAMPS水凝胶和软骨上进行受限单轴蠕变测试的应变与时间关系。B）猪软骨与BC–PVA–PAMPS水凝胶的摩擦系数和磨损深度的比较。C）BC–PVA–PAMPS水凝胶，猪软骨，PVA–PAMPS水凝胶，PAMPS–PDMAAm水凝胶和PVA水凝胶在100000次磨损测试前后的MicroCT图像。D）施加的最大循环拉伸应力与断裂前的循环次数之间的关系

综上所述，作者首次采用仿生方法制备出具有与人类关节软骨相同强度和模量的水凝胶，优异特性使BC–PVA–PAMPS水凝胶成为修复软骨损伤的极佳候选材料。（文：one end）