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受损软骨的有效治疗和修复仍然为今天的药物带来了重大挑战。美国杜克大学的研究人员最近创造了一种新的水凝胶基复合材料，其与天然软骨组织的强度和耐久性相匹配。新的发展有望克服目前软骨修复技术的局限性。
关节软骨是一种高度特化的组织，在人体中起着至关重要的作用。健康的软骨提供低摩擦运动，并确保有效的承重和重量分布在骨骼关节。
软骨-自然奇迹
天然软骨是由分布稀疏的软骨细胞镶嵌在软骨细胞外基质。它主要由水(60-85 wt%)、15-22 wt% II型胶原蛋白(身体的主要结缔组织之一)和4-7 wt%糖胺聚糖(长线性多糖分子)组成。
这三个相互交织的组成部分提供了软骨组织的独特特性。平均厚度为2.2 mm，软骨部分穿透下方多孔骨组织，覆盖骨表面，确保关节内的低摩擦运动。同时，软骨是高度可变形的，通过增加整个关节相对表面之间的接触面积，有助于有效的载荷分配。
骨关节创伤对现代社会有着重要的影响
软骨组织缺乏血管，导致营养供应不足，废物提取缓慢(依赖软骨基质扩散)，软骨细胞代谢活动减少。这限制了自我再生和内在修复。
除了经过数十年的持续使用后的正常软骨磨损之外，与体育活动和道路事故有关的骨骼和关节伤害会显着促进全球软骨修复治疗和产品的需求，每年在美国进行超过60,000名膝关节替代手术以及2018年全球软骨维修市场价值480亿美元。
目前，对受损软骨组织最常见的治疗只能提供短期的症状缓解(通过移除受损软骨的松散块或移植供体软骨)或需要用人工关节替换受损关节。所有这些方法通常都有很高的失败率(10年后25-50%)，需要很长的康复时间(12个月或更长)。
当前策略的软骨修复和再生的限制已经引发了学术界和工业界研究小组计划开发替代材料具有类似天然软骨生物力学特性强烈生物医药R＆d的努力。亚博网站下载
智能材料可以亚博网站下载帮助修复损坏的软骨
目前使用几种生物相容性和不可降解的工程化材料，例如钴 - 铬合金，陶瓷和超高分子量聚乙烯，作为软骨或全接亚博网站下载合替代品。然而，与天然软骨相比，这些材料亚博网站下载具有明显不同的机械性能，并且通常对周围的骨结构具有不利影响。
自20世纪70年代以来，水凝胶(高度水合的交联亲水聚合物网络)由于其生物相容性、高含水量和低渗透性，导致了特殊的润滑能力和低蛋白质吸附，一直吸引着科学家的关注，作为软骨替代材料。亚博网站下载
这些材料的主要缺点是缺乏断裂强度和不足的弹性模量来支持关亚博网站下载节中的预期负荷所需的。
由Benjamin Wiley和Ken Gall教授领导的Duke University的研究小组创造了一种新型水凝胶基复合材料，用于模仿天然软骨组织的物理性质和行为。
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柔韧如天然软骨
天然软骨激发了新复合材料的结构。水凝胶由一种细菌纤维素（BC）纳米恐怖网络组成，该网络掺入由交联聚（乙烯醇）（PVA）和聚（2-丙基丙酰胺-2-甲基-1-丙二磺酸钠盐）（PAMPs）制成的双网络水凝胶中。
这三个相互渗透的网络共同提供了材料的生物力学特性。BC网络有助于抗拉强度(类似于软骨中的胶原)，而PVA和PAMPS网络确保必要的水的保留(59% wt%)，并提供粘弹性能量消散，弹性恢复力(类似软骨中的糖胺聚糖网络)和均匀的应力分布在BC网络。
具有优异生物力学性能的复合水凝胶
在《高级功能材料》杂志上描述他们的研究时，Wiley教授和同事声称，这种新的仿生水凝胶是第一种工程材料，在张力和压缩方面与亚博网站下载天然软骨的强度和模量相匹配。
力学试验表明，在压缩作用下，复合水凝胶具有与软骨相似的弹性模量，并表现出相同的随时间变化的力学响应。在1.43 MPa的压应力下，新材料的应变小于5%。与此相关的是，一个90公斤重的步行人膝关节的压缩应力约为2.5 MPa。
传统软骨替代材料的耐用替代品亚博网站下载
同时，材料的摩擦系数低于软骨的45％，耐磨性高出4.4倍，耐磨性高于PVA水凝胶（目前用作软骨替代品），在100,000负载周期之后表现出疲劳强度相当于天然软骨。
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水凝胶复合材料的三种成分此前已被证明具有生物相容性，最初的相容性测试表明，该材料对实验室培养的细胞无毒。
走向现实世界应用的步骤
下一步，研究团队的目标是设计一种适合于在活的有机体内在动物身上测试。他们设想，在三年内，这种新的软骨替代材料将用于商业治疗，作为传统软骨修复治疗或膝关节置换手术的更好替代品。
参考资料及进一步阅读
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