膝盖骨之间有一层又薄又滑的软骨。这是一种神奇的物质：它足够强韧，能够承受人体的重量；它也很柔软，能够在几十年中缓冲关节冲击。然而，这种“软硬结合”的材料难以在实验室中复制。
《先进功能材料》杂志6月26日报道，美国杜克大学的研究人员Ben Wiley和Ken Gall等开发了一种凝胶体材料，其强度和耐用性可与真软骨相媲美。
功能凝胶材料看起来很像果冻的远亲。虽然它60%左右的成分是水，强度却非常高：一个四分之一尺寸的凝胶块可以承受100磅的重压，不会裂开或出现形变。
研究人员表示，这是首款能够像人类软骨那样承受牵拉和沉重载荷作用的水凝胶，并且它不会随着时间的推移而磨损。这种功能材料有望作为替换受损软骨的备选方案，为美国每年近60万例膝关节置换手术患者带去康复的希望。
作为覆盖在骨骼末端的光滑的韧性组织，软骨能够使骨骼顺畅地滑动。人类每行走一步，软骨都会帮助吸收大量冲击力——通常是体重的2~3倍。
杜克大学机械工程与材料科学教授Gall说：“然而，软骨自身的愈合和修复能力是有限的。一旦软骨因年龄、劳损或者外伤等出现问题，就很难治疗了。”
自20世纪70年代起，水凝胶就被用作软骨的替代品。研究人员被这类材料的润滑性、减震性和生物相容性所吸引。但它们过于脆弱，无法应用于膝盖等承重关节。
杜克大学化学教授Wiley说：“我们希望制造出第一种具有软骨力学特征的水凝胶。”
新型水凝胶包含三种成分：弹性线、带负电荷的硬线，以及纤维素纤维。前两种线相互缠绕，构成聚合物网络，第三种线为其增添了增强纤维网。当凝胶被拉伸时，纤维素纤维可以抵抗拉力，让材料维持粘合状态；当凝胶受到挤压时，沿刚性聚合物链的负电荷相互排斥，又能使材料“弹回”原状。
论文作者Feichen Yang说：“只有三种成分恰当结合在一起时，才能使材料兼具柔韧性和强度。”
在实验中，研究人员对凝胶材料进行了10万次拉伸测试，发现它的耐受性与用于骨植入的多孔钛接近。
论文的共同作者、Gall实验室博士生William Koshut评价说：“这超出了我们的预期。”
他们还将新材料与天然软骨摩擦了上百万次，发现这种有自润滑表面的凝胶与真软骨一样耐磨，并且耐磨性是目前FDA批准用于大脚趾植入手术的人造软骨的4倍。
Wiley表示，至少还需要3年时间，实验材料才能进入临床测试。初步的安全测试结果表明，新材料对实验室培养的细胞无毒性。下一阶段，他们会设计一种能够在羊身上测试的植入物。
研究人员认为，这项研究最终有望为膝盖疼痛患者提供新的选择，让他们重新做自己喜欢的事情，而不必再被漫长的关节置换手术恢复时间和有限的软骨修复寿命所困扰。
科界原创编译：雷鑫宇审稿：西莫责编：程建兰
期刊来源：《先进功能材料》
期刊编号：1616-301X
原文链接：https://phys.org/news/2020-06-lab-cartilage-mimicking-gel-strong-knees.html
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