杜克大学《先进功能材料》循环10万次高疲劳强度、修复软骨水凝胶

介绍

在美国，每年约有90万人遭受对骨末端排列的关节软骨的损害，其中膝盖最常见。关节软骨病变具有有限的内在愈合能力，通常会导致骨关节炎。软骨损伤的治疗可以减轻使人衰弱的疼痛并延迟全膝关节置换的需要。用于软骨修复当前策略包括骨髓刺激（微骨折），自体软骨细胞植入，骨软骨移植。这些方法缺点是失败率高（25–50％），康复时间长（> 12个月），40-50岁以上的患者疗效低。水凝胶已被用作软骨替代品，因为与软骨一样，水凝胶主要由水组成且渗透性低，其摩擦系数（COF）非常低。但是，当前的水凝胶在循环载荷和磨损条件下没有足够的机械强度和耐用性来代替承重的软骨。如果要使用合成水凝胶替代软骨，则其至少应具有软骨强度，使其在恢复正常活动时不会失效。水凝胶替代品还应具有与软骨相同的时间依赖性机械特性，以确保正常的应力分布，疲劳强度和耐磨性以确保耐用性。

美国杜克大学Benjamin J. Wiley团队创建第一个在拉伸和压缩时都具有软骨强度和模量的水凝胶（图1A，B）。这种水凝胶由细菌纤维素（BC），聚乙烯醇（PVA）和聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠）（PAMPS）组成，称为BC– PVA–PAMPS水凝胶。直径为20 mm的BC–PVA–PAMPS水凝胶（59％水）的圆柱形样品在100磅重量（压缩应力为1.43 MPa）下表现出<5％的应变（图1C – D）。一个200磅（890 N）的人在行走过程中在膝盖上的峰值力为3000 N，对应的峰值接触应力为2.5 MPa。纯PVA水凝胶由于其低的压缩模量（0.31-0.8 MPa）而表现出显着的变形（> 20％）。如此大的变形意味着如果将PVA用作膝盖的合成软骨，则单独的PVA会将应力转移到周围的软骨和骨骼。相反，BC–PVA–PAMPS水凝胶具有作为软骨的负重替代品所必需的抗压强度和模量。文章以“A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage”为题发表在期刊《Advanced Functional Materials》上

图1 A，B）BC–PVA–PAMPS（这项工作）和其他强水凝胶的抗压强度，拉伸强度和模量的图表。。C）BC–PVA–PAMPS可以轻松承受100磅壶铃的重量。D）用100磅压缩前后的PAMPS–PDMAAm，PVA和BC–PVA–PAMPS水凝胶。

结果与讨论

BC–PVA–PAMPS水凝胶的设计

关节软骨主要由水（占重量的60-85％），直径约100 nm的胶原纤维（占15-22％）和带负电荷的聚集蛋白聚糖（占4-7％）组成。胶原纤维网络使软骨拉伸强度高。聚集蛋白聚糖是一种刷状分子，带有负电荷，与透明质酸形成大的聚集体，并被困在胶原蛋白网络中，从而导致可抵抗压缩负荷的渗透压。

由于生物相容性，高抗张强度，在体内无法降解，BC被选为模仿胶原蛋白的纳米纤维网络。PVA水凝胶的第二网络渗入到BC网络提供弹性恢复力和粘弹性能量耗散，且BC纤维分担复合框架中的载荷以提高拉伸强度。BC-PAMPS水凝胶具有4.6 MPa的拉伸强度，比软骨强度低8.1MPa。相反，BC-PVA水凝胶的软骨等效拉伸强度为12.3 Mpa（图2A）。将PAMPS网络添加到水凝胶中，水凝胶获得固定的负电荷，从而模仿硫酸软骨素和硫酸角质素组分的作用。该负电荷导致渗透压溶胀，有助于其抗压强度。BC-PAMPS和BC-PVA水凝胶均没有足够的强度。通过将PAMPS网络添加到BC-PVA水凝胶中，压缩模量（23 MPa）和强度（10.8 MPa）都提高到了软骨当量范围内（图2B）。

图2C展示BC–PVA–PAMPS水凝胶的制备过程。首先，通过使用2个金属板之间的垫片将一块BC压制到受控厚度，通常为0.5毫米。低温扫描电子显微镜（cryo-SEM）图像（图2D）显示了BC的纳米纤维性质。接着，将压制的BC在135℃下在40wt％PVA的水溶液中浸泡24小时，PVA溶液扩散到BC中。将BC–PVA凝胶在78°C下冷冻30分钟，解冻至室温以物理交联PVA网络。然后将BC–PVA水凝胶浸泡在AMPS，MBAA的溶液处理24小时。紫外线透照器（VWR）固化15分钟，在60°C的烤箱中加热8 h以确保均匀地固化。所得的BC–PVA–PAMPS水凝胶在0.15 m磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中存储至少24 h，然后再进行进一步表征。

图2 A，B）BC–PVA，BC–PAMPS和BC–PVA–PAMPS水凝胶的拉伸和压缩应力-应变曲线；C）BC–PVA–PAMPS水凝胶的制备过程示意图；D，E）BC和BC–PVA–PAMPS水凝胶的低温SEM图像。

成分对强度和模量的影响

在分子量不同的PVA（完全水解）和不同浓度的BC，PVA，AMPS和MBAA交联剂的BC-PVA-PAMPS水凝胶上进行了30次机械测试，以确定水凝胶的机械性能对这些参数的敏感性。结果如图 3所示。BC wt％为13.9％，22.1％或49.8％会产生相当于软骨的拉伸强度和抗压强度，但只有22.1％的水凝胶具有相当于软骨的拉伸模量。对于PVA网络，分子量从77 000 g/mol增加到146000 g/mol，由于氢键的增加和聚合物链之间的缠结，水凝胶的拉伸和压缩强度提高。PAMPS本身会形成相对较硬的脆性水凝胶。因此，增加AMPS浓度会增加拉伸模量和压缩模量。添加中等范围的AMPS（20–30 wt％）可提供与软骨等效的机械性能。MBAA浓度对水凝胶的机械性能影响较小，MBAA的0–60×10 -3 M范围时，水凝胶机械性能与软骨相当。

图3 A）不同配方的BC–PVA–PAMPS水凝胶的拉伸强度，B）拉伸模量，C）压缩强度和D）压缩模量。

水凝胶的力学性能

理想情况下，与软骨等效的水凝胶不仅模仿软骨的强度和模量，还应模仿其随时间变化的机械性能。图4A显示了在恒定压力为0.04 MPa的有限压力下，BC–PVA–PAMPS和猪股软骨的压缩应变与时间的关系图。BC–PVA–PAMPS水凝胶的蠕变曲线与猪软骨相似，总模量均为0.78 MPa，这与文献中报道的人类股骨软骨的值范围（0.46-1.43 MPa）一致。BC–PVA–PAMPS水凝胶的渗透性也是在人软骨范围内。软骨的任何替代物都应具有相似的低COF和耐磨性，以确保合成替代物经久耐用并在体内产生最小的磨损碎片。由于AMPS网络的负电荷以及BC在减少AMPS浸泡过程中水凝胶溶胀中的作用，BC–PVA–PAMPS的COF（0.06）低于猪关节软骨（图4B）。BC–PVA–PAMPS的磨损深度甚至比猪软骨（429 m）小14％，且在MicroCT下无法检测到BC–PVA–PAMPS水凝胶的磨损，这意味着在一百万次循环后，最大磨损深度小于MicroCT的分辨率（25 m），这种出色的耐磨性归因于BC–PVA–PAMPS水凝胶的低COF，高模量和高强度（图4C）。

水凝胶的拉伸强度和厚度在在PBS溶液中12天内保持不变,这确保了水凝胶在疲劳实验过程中不发生变化。在100000次循环测试中，强度更高的样品承受的应力率更高，BC–PVA–PAMPS水凝胶表现出8.62 MPa的极高疲劳强度（图4D），样品均无损坏，与85％多孔3D打印钛金属相当。由于PAMPS的脆性，向BC添加PAMPS降低了其对疲劳的抵抗力。由于PVA的韧性，向BC中添加PVA可以提高抗疲劳性。在生物相容性测试种， BC–PVA–PAMPS水凝胶与L‐929小鼠成纤维细胞孵育48小时后，未观察到细胞毒性或裂解迹象，但是必须进行进一步的动物试验以确认水凝胶在较长时间内的生物相容性。

图4 A）在0.04 MPa以下的BC–PVA–PAMPS水凝胶和软骨上进行受限的单轴蠕变测试的应变与时间关系。B）猪软骨与BC–PVA–PAMPS水凝胶的摩擦系数和磨损深度的比较。C）BC–PVA–PAMPS水凝胶，猪软骨，PVA–PAMPS水凝胶，PAMPS–PDMAAm水凝胶和PVA水凝胶在磨损测试100000转之前和之后的MicroCT图像。D）施加的最大循环拉伸应力与断裂前的循环次数之间的关系。

结论

作者制造出具有与人类关节软骨相同的强度和模量的压缩和拉伸力的第一水凝胶。细菌纤维素纳米纤维以类似于软骨中胶原纳米纤维的方式为水凝胶提供了拉伸强度的来源。PVA提供弹性恢复力，粘弹性能量耗散，并防止应力集中在单个BC纤维上。PAMPS类似于软骨聚集蛋白聚糖的作用，为水凝胶提供了固定的负电荷和渗透恢复力。BC–PVA–PAMPS水凝胶的总模量和渗透率使其在受限压缩下具有与软骨相同的时间依赖性机械响应。BC–PVA–PAMPS水凝胶的摩擦系数约为软骨的一半，并且在10万次循环中表现出与软骨等效的疲劳强度。BC–PVA–PAMPS无细胞毒性。综上所述，这些特性使BC-PVA-PAMPS水凝胶成为修复软骨损伤的极佳候选材料。

参考文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

版权声明：「高分子材料科学」是由专业博士（后）创办的非赢利性学术公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物材料学的研究进展。上述仅代表作者个人观点且作者水平有限，如有科学不妥之处，请予以下方留言更正。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载请联系编辑或顶端注明出处。感谢各位关注！