由纤维素纤维构成的水凝胶，正在成为全新软骨替代材料

文/未来科技观察

天然软骨在缓冲关节方面发挥着重要作用，然而，由于软骨组织无血液供应和神经支配，并且软骨细胞的低代谢活性以及高密度的细胞外基质限制了软骨细胞向缺损区域移行，在受损后很难自行修复。目前，对于软骨损伤的治疗方案通常仅限于止痛药、物理治疗，更严重的，则需要进行全膝关节重建。

基于此，柔软而有弹性的水凝胶已被研究为潜在的软骨替代材料——水凝胶是一类具有化学或在物理交联的三维网状结构的材料，能够吸收水，但是又不溶解于水，质地柔软，富有弹性，与活体的软组织相适应，能够模拟天然细胞外基质，通过对水凝胶的孔隙率、孔径大小、内表面积的调节，实现细胞的生长与分化；同时，水凝胶富含水分，有利于氧气、营养物质和细胞代谢产物运输，对周围组织的摩擦和机械刺激小。

不过，大多数水凝胶仍然脆弱，无法支撑很多重量。在这样的背景下，2020年，杜克大学团队创造了一种水凝胶，其特性与天然软骨一样好。而现在，他们又在原有的基础上成功对水凝胶进行完善。

新的水凝胶是由纤维素纤维组成的，纤维素纤维使材料在被拉伸时很结实，并注入了聚乙烯醇，帮助它恢复到原来的形状。该团队还对其制造方法进行了调整——他们没有像大多数水凝胶那样对其进行冷冻和解冻，而是像玻璃一样对其进行了退火处理，这引发了聚合物网络中更多晶体的形成。

最终的结果是水凝胶的拉伸强度（承受拉伸）为51MPa，压缩强度（承受压力）为98MPa。研究人员表示，这比天然软骨的抗拉强度高26%，抗压强度高66%。它也是其他通过冷冻和解冻制成的水凝胶的抗拉强度的五倍和抗压强度的两倍。

在其他测试中，该团队使用一台机器将他们的人造软骨与天然软骨摩擦一百万次，压力类似于行走时膝盖上的压力。并且，事实证明，人工版本的软骨比天然软骨的耐磨损程度高三倍。

由于过去水凝胶很难固定在膝关节的骨头上，因此，研究团队还试验了一种可植入的设备来解决这个问题。水凝胶被粘合并夹在一个钛合金底座上，然后将其连接到受损软骨留下的一个孔中。这拥有2MPa的剪切强度，比天然软骨对骨骼的把握强68%。

其研究结果已发布于《先进功能材料》杂志上，不难想象，在不远的将来，不断完善的水凝胶将会越来越多地进入组织工程，甚至搭配上3D打印，为人类的骨骼健康带来更多的好消息。