由纖維素纖維構成的水凝膠，正在成為全新軟骨替代材料_風聞

文/觀察未來科技

天然軟骨在緩衝關節方面發揮着重要作用，然而，由於軟骨組織無血液供應和神經支配，並且軟骨細胞的低代謝活性以及高密度的細胞外基質限制了軟骨細胞向缺損區域移行，在受損後很難自行修復。目前**，對於軟骨損傷的治療方案通常僅限於止痛藥、物理治療，更嚴重的，則需要進行全膝關節重建**。

基於此，柔軟而有彈性的水凝膠已被研究為潛在的軟骨替代材料——水凝膠是一類具有化學或在物理交聯的三維網狀結構的材料，能夠吸收水，但是又不溶解於水，質地柔軟，富有彈性，與活體的軟組織相適應，能夠模擬天然細胞外基質，通過對水凝膠的孔隙率、孔徑大小、內表面積的調節，實現細胞的生長與分化；同時，水凝膠富含水分，有利於氧氣、營養物質和細胞代謝產物運輸，對周圍組織的摩擦和機械刺激小。

不過，大多數水凝膠仍然脆弱，無法支撐很多重量。在這樣的背景下，2020年，杜克大學團隊創造了一種水凝膠，其特性與天然軟骨一樣好。而現在，他們又在原有的基礎上成功對水凝膠進行完善。

新的水凝膠是由纖維素纖維組成的，纖維素纖維使材料在被拉伸時很結實，並注入了聚乙烯醇，幫助它恢復到原來的形狀。該團隊還對其製造方法進行了調整——他們沒有像大多數水凝膠那樣對其進行冷凍和解凍，而是像玻璃一樣對其進行了退火處理，這引發了聚合物網絡中更多晶體的形成。

**最終的結果是水凝膠的拉伸強度（承受拉伸）為51MPa，壓縮強度（承受壓力）為98MPa。**研究人員表示，這比天然軟骨的抗拉強度高26%，抗壓強度高66%。它也是其他通過冷凍和解凍製成的水凝膠的抗拉強度的五倍和抗壓強度的兩倍。

在其他測試中，該團隊使用一台機器將他們的人造軟骨與天然軟骨摩擦一百萬次，壓力類似於行走時膝蓋上的壓力。並且**，事實證明，人工版本的軟骨比天然軟骨的耐磨損程度高三倍。**

由於過去水凝膠很難固定在膝關節的骨頭上，因此，研究團隊還試驗了一種可植入的設備來解決這個問題。水凝膠被粘合併夾在一個鈦合金底座上，然後將其連接到受損軟骨留下的一個孔中。這擁有2MPa的剪切強度，比天然軟骨對骨骼的把握強68%。

其研究結果已發佈於《先進功能材料》雜誌上，不難想象，在不遠的將來，不斷完善的水凝膠將會越來越多地進入組織工程，甚至搭配上3D打印，為人類的骨骼健康帶來更多的好消息。