發(fā)布日期：2017-11-21
人工軟骨非常靈活而且耐撕裂。圖片來源：密歇根大學(xué)
軟骨是身體內(nèi)一種非常“神奇”的組織，它具有無與倫比的液體強(qiáng)度。在軟骨組織中，80%的成分是水，卻能幫助我們的身體應(yīng)對很強(qiáng)大的壓力。
合成的材料往往難以與天然的軟骨相媲美，直到來自密歇根大學(xué)和中國江南大學(xué)的研究人員們開發(fā)了“Kevlartilage”。這是一種基于芳綸的材料，芳綸是一種合成纖維，被廣泛所知的是它用于防彈背心，其強(qiáng)度可見一斑。另一種材料是聚乙烯醇（PVA），這是一種常見的水凝膠軟骨中的材料。這種全新的混合材料帶給了我們意想不到的驚喜，它不但具有非常好的強(qiáng)度，同時(shí)也具有天然軟骨相似的含水量，有望成為替代身體內(nèi)軟骨或其他軟組織的優(yōu)質(zhì)選擇。研究發(fā)表在最近的《Advanced Materials》上。
軟骨在臨床上有著非常大的需求，在美國，有85萬人需要接受手術(shù)切除或者更換膝關(guān)節(jié)的軟骨。有很多關(guān)節(jié)損傷的人群將從優(yōu)質(zhì)的軟骨替代品中獲益。雖然其他種類的人造軟骨已經(jīng)在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，但這些材料無法達(dá)到強(qiáng)度和水含量的完美組合。
研究的領(lǐng)導(dǎo)者Nicholas Kotov教授表示，其他用于模擬軟骨的合成材料物理性質(zhì)決定了，它沒有足夠的水來運(yùn)輸細(xì)胞需要生長的營養(yǎng)物質(zhì)。與此同時(shí)，水凝膠可以設(shè)計(jì)出足夠的水來支持軟骨細(xì)胞的生長，這些細(xì)胞可以建立天然的軟骨。然而，這些水凝膠的強(qiáng)度并不是很好，它們會容易被撕裂。
和天然軟骨一樣，人造軟骨通過釋放水分來承受壓力，然后通過吸收水分來恢復(fù)。圖片來源：密歇根大學(xué)
在天然軟骨中，蛋白質(zhì)和其他生物分子的網(wǎng)絡(luò)通過其腔內(nèi)的水流而獲得力量。來自水的壓力重新配置了網(wǎng)絡(luò)，使它變形而不被破壞。水在這個(gè)過程中被釋放，而網(wǎng)絡(luò)之后會通過吸收水來恢復(fù)。
這種機(jī)制使得關(guān)節(jié)能夠承受較大的沖擊，以對抗外來力量。例如膝蓋，跑步過程中，在骨頭之間的軟骨上反復(fù)的施加力量，迫使水流出，使軟骨變得更柔軟。然后，當(dāng)跑步者休息時(shí)，軟骨會吸收水分，這樣它就能再次抵抗壓迫。
人造軟骨具有同樣的機(jī)制，在壓力下釋放水分，然后像海綿一樣吸收水分。納米纖維形成了材料的框架，而當(dāng)材料暴露于拉伸或壓縮時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中的PVA會捕捉水分。即使是92%的水的版本也能與軟骨相媲美，70%的版本則達(dá)到了橡膠的彈性。
合成軟骨基質(zhì)的電子顯微鏡圖像。圖片來源：密歇根大學(xué)
由于這種混合材料不會對鄰近的細(xì)胞造成傷害，Kotov預(yù)計(jì)這種人造軟骨在某些情況下，可以作為合適的植入物，比如膝蓋的深處。他還想知道軟骨細(xì)胞是否能夠在這種合成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生長，以產(chǎn)生一種混合軟骨。
研究人員覺得這種材料的潛在應(yīng)用并不局限于軟骨。他們期待混合材料在不同比例下所構(gòu)建的類似網(wǎng)絡(luò)，可能會同樣適用于其他軟組織。
參考資料
[1] Kevlar-based artificial cartilagemimics the magic of the real thing
[2] High-Strength Artificial Cartilage Madefrom Kevlar
來源：康健新視野（微信號 HealthHorizon）
