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高强度的人造软骨,具有与自然软骨类似的“奇

发布时间:2017-11-21 00:00

人工软骨非常灵活而且耐撕裂。图片来源:密歇根大学

软骨是身体内一种非常“神奇”的组织,它具有无与伦比的液体强度。在软骨组织中,80% 的成分是水,却能帮助我们的身体应对很强大的压力。

合成的材料往往难以与天然的软骨相媲美,直到来自密歇根大学和中国江南大学的研究人员们开发了“Kevlartilage”。这是一种基于芳纶的材料,芳纶是一种合成纤维,被广泛所知的是它用于防弹背心,其强度可见一斑。另一种材料是聚乙烯醇(PVA),这是一种常见的水凝胶软骨中的材料。这种全新的混合材料带给了我们意想不到的惊喜,它不但具有非常好的强度,同时也具有天然软骨相似的含水量,有望成为替代身体内软骨或其他软组织的优质选择。研究发表在最近的《Advanced Materials》上。

软骨在临床上有着非常大的需求,在美国,有 85 万人需要接受手术切除或者更换膝关节的软骨。有很多关节损伤的人群将从优质的软骨替代品中获益。虽然其他种类的人造软骨已经在进行临床试验,但这些材料无法达到强度和水含量的完美组合。

研究的领导者 Nicholas Kotov 教授表示,其他用于模拟软骨的合成材料物理性质决定了,它没有足够的水来运输细胞需要生长的营养物质。与此同时,水凝胶可以设计出足够的水来支持软骨细胞的生长,这些细胞可以建立天然的软骨。然而,这些水凝胶的强度并不是很好,它们会容易被撕裂。

和天然软骨一样,人造软骨通过释放水分来承受压力,然后通过吸收水分来恢复。图片来源:密歇根大学

在天然软骨中,蛋白质和其他生物分子的网络通过其腔内的水流而获得力量。来自水的压力重新配置了网络,使它变形而不被破坏。水在这个过程中被释放,而网络之后会通过吸收水来恢复。

这种机制使得关节能够承受较大的冲击,以对抗外来力量。例如膝盖,跑步过程中,在骨头之间的软骨上反复的施加力量,迫使水流出,使软骨变得更柔软。然后,当跑步者休息时,软骨会吸收水分,这样它就能再次抵抗压迫。

人造软骨具有同样的机制,在压力下释放水分,然后像海绵一样吸收水分。纳米纤维形成了材料的框架,而当材料暴露于拉伸或压缩时,在网络中的 PVA 会捕捉水分。即使是 92% 的水的版本也能与软骨相媲美,70% 的版本则达到了橡胶的弹性。

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