“果凍”型新材料：備受膝傷困擾者的新希望_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2020-06-29 17:07
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美國杜克大學的研究人員Ben Wiley和Ken Gall等開發了一種凝膠體材料，其強度和耐用性可與真軟骨相媲美。膝關節手術置換患者有了新的希望。
研究人員開發出了首款具備真軟骨強度的凝膠體人造軟骨。圖中的小型凝膠塊承受了100磅的重壓。
膝蓋骨之間有一層又薄又滑的軟骨。這是一種神奇的物質：它足夠強韌，能夠承受人體的重量；它也很柔軟，能夠在幾十年中緩衝關節衝擊。然而，這種“軟硬結合”的材料難以在實驗室中複製。
《先進功能材料》雜誌6月26日報道，美國杜克大學的研究人員Ben Wiley和Ken Gall等開發了一種凝膠體材料，其強度和耐用性可與真軟骨相媲美。
功能凝膠材料看起來很像果凍的遠親。雖然它60%左右的成分是水，強度卻非常高：一個四分之一尺寸的凝膠塊可以承受100磅的重壓，不會裂開或出現形變。
功能凝膠材料像果凍一樣充滿彈性。
研究人員表示，這是首款能夠像人類軟骨那樣承受牽拉和沉重載荷作用的水凝膠，並且它不會隨着時間的推移而磨損。這種功能材料有望作為替換受損軟骨的備選方案，為美國每年近60萬例膝關節置換手術患者帶去康復的希望。
作為覆蓋在骨骼末端的光滑的韌性組織，軟骨能夠使骨骼順暢地滑動。人類每行走一步，軟骨都會幫助吸收大量衝擊力——通常是體重的2~3倍。
杜克大學機械工程與材料科學教授Gall説：“然而，軟骨自身的癒合和修復能力是有限的。一旦軟骨因年齡、勞損或者外傷等出現問題，就很難治療了。”
自20世紀70年代起，水凝膠就被用作軟骨的替代品。研究人員被這類材料的潤滑性、減震性和生物相容性所吸引。但它們過於脆弱，無法應用於膝蓋等承重關節。
杜克大學化學教授Wiley説：“我們希望製造出第一種具有軟骨力學特徵的水凝膠。”
新型水凝膠包含三種成分：彈性線、帶負電荷的硬線，以及纖維素纖維。前兩種線相互纏繞，構成聚合物網絡，第三種線為其增添了增強纖維網。當凝膠被拉伸時，纖維素纖維可以抵抗拉力，讓材料維持粘合狀態；當凝膠受到擠壓時，沿剛性聚合物鏈的負電荷相互排斥，又能使材料“彈回”原狀。
水凝膠經常被用作軟骨的替代品。
論文作者Feichen Yang説：“只有三種成分恰當結合在一起時，才能使材料兼具柔韌性和強度。”
在實驗中，研究人員對凝膠材料進行了10萬次拉伸測試，發現它的耐受性與用於骨植入的多孔鈦接近。
論文的共同作者、Gall實驗室博士生William Koshut評價説：“這超出了我們的預期。”
他們還將新材料與天然軟骨摩擦了上百萬次，發現這種有自潤滑表面的凝膠與真軟骨一樣耐磨，並且耐磨性是目前FDA批准用於大腳趾植入手術的人造軟骨的4倍。
Wiley表示，至少還需要3年時間，實驗材料才能進入臨牀測試。初步的安全測試結果表明，新材料對實驗室培養的細胞無毒性。下一階段，他們會設計一種能夠在羊身上測試的植入物。
研究人員認為，這項研究最終有望為膝蓋疼痛患者提供新的選擇，讓他們重新做自己喜歡的事情，而不必再被漫長的關節置換手術恢復時間和有限的軟骨修復壽命所困擾。
編譯：雷鑫宇
審稿：西莫
責編：程建蘭
期刊來源：《先進功能材料》
期刊編號：1616-301X
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https://phys.org/news/2020-06-lab-cartilage-mimicking-gel-strong-knees.html
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