要點
1.文章報導了首個在拉伸和壓縮中均具有軟骨強度和模量的水凝膠，並且首個在105次循環中表現出與軟骨等效的拉伸疲勞強度。
2.通過用聚乙烯醇（PVA）-聚（2-丙烯醯胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸鈉鹽）（PAMPS）雙網絡水凝膠滲透細菌纖維素（BC）納米纖維網絡來實現這些特性。
3.BC提供的抗張強度類似於軟骨中的膠原蛋白，而PAMPS提供固定的負電荷和滲透恢復力，類似於軟骨聚集蛋白聚糖的作用。
4.水凝膠具有與軟骨相同的聚集模量和滲透性，在有限壓縮下導致相同的隨時間變化的變形。
5.水凝膠沒有細胞毒性，摩擦係數比軟骨低45％，耐磨性是PVA水凝膠的4.4倍。這種水凝膠的特性使其成為替代受損軟骨的極佳候選材料。
1.背景
美國每年約有90萬人遭受骨骼末端排列的關節軟骨損害，其中膝蓋最常見。關節軟骨病變的內在癒合能力有限，通常會導致骨關節炎並產生疼痛。當前修復軟骨的方法有骨髓刺激（微骨折）、自體軟骨細胞植入、骨軟骨移植。但這些方法失敗率較高（25-50％）、康復時間長（>12個月）、療效低。
與軟骨一樣，水凝膠主要由水組成且滲透率低，已被廣泛地用作軟骨替代品。但至今報導的水凝膠在循環載荷和磨損條件下無法同時滿足機械強度和耐用性來代替承重的軟骨）。如果要使用合成水凝膠替代軟骨，則其至少應具有軟骨強度、與軟骨相同的時間依賴性機械性能、疲勞強度和耐磨性，以使其在恢復正常活動時不會失效、正常的應力分布以及耐用性。
美國杜克大學Benjamin J. Wiley團隊在《Advanced Functional Material》上介紹了一種仿生方法，創建第一個在拉伸和壓縮時均具有軟骨強度和模量的水凝膠。這種水凝膠（BC– PVA–PAMPS水凝膠）由細菌纖維素（BC），聚乙烯醇（PVA）和聚（2-丙烯醯胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉）（PAMPS）組成。直徑為20 mm的圓柱形BC–PVA–PAMPS水凝膠的100磅重量（壓縮應力為1.43 MPa）下應變<5％。一個200磅（890 N）的人在行走過程中在膝蓋上的峰值力為3000 N，對應的峰值接觸應力為2.5 MPa。該水凝膠具有作為軟骨的負重替代品所需的抗壓強度和模量。
2.結果與討論
2.1 BC–PVA–PAMPS水凝膠的設計根據
關節軟骨主要由水（佔60-85％），直徑約100nm的膠原纖維（佔15-22％）和帶負電荷的聚集蛋白聚糖（佔4-7％）組成。膠原纖維網絡使軟骨的拉伸強度高。聚集蛋白聚糖與透明質酸形成大的聚集體，固定在膠原蛋白網絡中，從而使軟骨具有可抵抗壓縮負荷的滲透壓。
由於BC具有生物相容性、高抗張強度、且在體內穩定，BC被選為模擬膠原蛋白的納米纖維網絡。由PVA水凝膠的第二網絡滲入到BC網絡提供的彈性恢復力以及粘彈性能量耗散， BC纖維可分擔複合框架中的載荷來提高拉伸強度。將PAMPS網絡添加到水凝膠中，水凝膠從PAMPS分子上的硫酸根基團獲得固定的負電荷，從而模仿硫酸軟骨素和硫酸角質素組分的作用。該負電荷使水凝膠可膨脹並保持抗壓強度。BC-PAMPS和BC-PVA水凝膠的強度均小於軟骨強度，而BC–PVA–PAMPS水凝膠的壓縮模量（23 MPa）和強度（10.8 MPa）都在軟骨當量範圍內（圖2B）。
圖2 A，B）BC–PVA，BC–PAMPS和BC–PVA–PAMPS水凝膠的拉伸和壓縮應力-應變曲線；C）BC–PVA–PAMPS水凝膠製備過程示意圖；D，E）BC和BC–PVA–PAMPS水凝膠的低溫SEM（cryo-SEM）圖像。
2.2水凝膠製備過程
圖2C說明了BC–PVA–PAMPS水凝膠的製備過程。首先，通過在2個金屬板之間使用墊片將一塊BC壓制到受控厚度（0.5mm）。圖2D顯示了BC的納米纖維性質。接著，將壓制的BC在40wt％PVA的水溶液中浸泡24小時（135℃），使PVA溶液擴散到BC中。然後將BC–PVA凝膠在–78°C下冷凍30分鐘，解凍至室溫以物理交聯PVA網絡。然後將BC–PVA水凝膠浸泡在AMPS， MBAA， I2959和過硫酸鉀（KPS）溶液24小時。紫外光固化15分鐘，然後在60°C的烤箱中加熱固化8小時，以確保均勻固化。所得的BC–PVA–PAMPS水凝膠在0.15 M磷酸鹽緩衝鹽水（PBS）溶液中保存24 h，然後進一步表徵。圖2E是BC–PVA–PAMPS水凝膠表面的冷凍SEM圖像。
2.3成分對強度和模量的影響
PVA分子量從77 000 g mol-1增加到146000 g mol-1，由於氫鍵和聚合物鏈之間的纏結增加，水凝膠的拉伸和壓縮強度達到軟骨等效範圍內。PAMPS本身會形成相對較硬的脆性水凝膠。因此增加AMPS濃度會增加拉伸模量和壓縮模量。添加中等範圍的AMPS（20–30 wt％）可提供相當於軟骨的機械性能。適當濃度（0–60×10-3 M）的MBAA對水凝膠的機械性能影響相對較小，但MBAA濃度更高時，其拉伸模量超出軟骨等效範圍。
圖3 A）不同配方的BC-PVA-PAMPS水凝膠的拉伸強度，B）拉伸模量，C）壓縮強度和D）壓縮模量。除非另有說明，否則BC，PVA，PAMPS，MBAA的濃度為20、40、30wt％和60×10-3M， PVA的分子量為14.6 萬g mol-1。對應於軟骨等效水凝膠的成分範圍以藍色陰影表示。
2.4密閉壓縮下的應變
理想情況下，與軟骨等效的水凝膠不僅應具有與軟骨等效的強度和模量，其時間機械性能也應與其相似。圖 4A顯示了在恆定壓力為0.04 MPa的有限壓力下，BC–PVA–PAMPS和豬股軟骨的壓縮應變與時間的關係圖。在PBS（0.15 M）中測試以模擬生理環境中的鹽濃度。BC–PVA–PAMPS水凝膠的應變曲線與豬軟骨相似。通過擬合0.04-0.1 MPa範圍內的應力-平衡應變曲線的斜率來確定樣品的總模量。BC–PVA–PAMPS水凝膠和豬軟骨的總模量均為0.78 MPa，在人類股骨軟骨值範圍內（0.46-1.43 MPa）。其滲透性（3.2 × 10-15 m4 N-1 s-1）也在人軟骨範圍內（1.2-9.2× 10-15 m4 N-1 s-1）。
2.5摩擦係數（COF）
任何軟骨替代物應具有類似的低COF和耐磨性，使軟骨表面的磨損最小化。如圖4B所示，BC–PVA–PAMPS的COF（0.06）不僅在已報導的軟骨替代水凝膠中達到最低，也低於豬關節軟骨（0.11）。這是因為PAMPS網絡的負電荷以及BC在減少AMPS浸泡過程中水凝膠溶脹中的作用。PAMPS水凝膠網絡的帶電錶面可以增加凝膠和相對表面之間的水潤滑層的厚度，從而降低COF。
2.6耐磨性
接下來，作者通過在PBS中以及在1 MPa壓力下旋轉樣品頂部測試水凝膠的耐磨性，BC–PVA–PAMPS水凝膠的最大磨損深度（370 µm）小於其他水凝膠，甚至比豬軟骨小14％（圖4B-C）。這種出色的耐磨性歸因於BC–PVA–PAMPS水凝膠的低COF、高模量和高強度。作者還測量了PVA和BC–PVA–PAMPS水凝膠在牛血清中軟骨的磨損，以確定在生理相關的條件下可能發生的磨損量。在1 MPa的壓力下，將軟骨釘在BC-PVA-PAMPS盤和PVA盤的頂部旋轉106次循環。在MicroCT下無法檢測到BC–PVA–PAMPS水凝膠的磨損，說明106次循環後，最大磨損深度小於MicroCT的解析度（25 µm）。另一方面，在相同的測試條件下進行20萬次循環後，PVA樣品會完全磨損（3.5毫米）。這些結果表明體內BC–PVA–PAMPS水凝膠的磨損量可以忽略不計。
2.7抗疲勞
軟骨在體內會經歷周期性的應力，因此表徵水凝膠疲勞特性非常重要。為確保水凝膠在疲勞實驗過程中不發生變化，作者將水凝膠樣品在PBS溶液中保存長達12天，並測量其厚度和拉伸強度。水凝膠的拉伸強度和厚度在12天內保持恆定。且強度更高的樣品能夠承受更高的應力率。BC–PVA–PAMPS水凝膠在105個循環中表現出極高疲勞強度（8.62 MPa），與85％多孔3D列印鈦金屬相當（圖4D）。PAMPS是脆性的，向BC添加PAMPS可降低其疲勞抵抗力。PVA是韌性的，向BC中添加PVA可以提高其抗疲勞性；在105個循環中，所有四個BC-PVA樣品均無損壞。PVA可以充當增韌劑並消除PAMPS的較差的疲勞性能。BC–PVA–PAMPS的疲勞強度與中年成年人的軟骨疲勞強度相同。
圖4 A）在0.04 MPa以下的BC–PVA–PAMPS水凝膠和軟骨上進行受限的單軸蠕變測試的應變與時間關係。B）豬軟骨與BC–PVA–PAMPS水凝膠的摩擦係數和磨損深度的比較。C）BC–PVA–PAMPS水凝膠，豬軟骨，PVA–PAMPS水凝膠，PAMPS–PDMAAm水凝膠和PVA水凝膠的CT圖像，在PBS中100mm s-1磨損測試105轉之前和之後。D）施加的最大循環拉伸應力與斷裂前的循環次數之間的關係。八個樣本在105次循環後沒有失敗。
2.8生物相容性
將L‐929小鼠成纖維細胞與水凝膠提取物孵育48小時後，未觀察到細胞毒性或裂解跡象。明水凝膠的成分的生物相容性已被證明，這一結果不足為奇。該水凝膠適合用作體內的軟骨替代物，但必須進行進一步的動物試驗以確認水凝膠在更長時間內的生物相容性。
3 結論
BC–PVA–PAMPS水凝膠的總模量和滲透率使其在受限壓縮下具有與軟骨相同的時間依賴性機械響應。BC–PVA–PAMPS水凝膠的摩擦係數約為軟骨的一半，耐磨性是PVA的4.4倍，並且在105次循環中表現出與軟骨等效的疲勞強度。BC–PVA–PAMPS無細胞毒性。這些特性使BC–PVA–PAMPS水凝膠成為用於修復軟骨損傷的極佳候選材料。
參考文獻：doi.org/10.1002/adfm.202003451
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