骨科

软骨状凝胶足以支撑人造膝盖

作者:佚名 来源:生物帮 日期:2021-02-16
导读

          人体软骨是一种复杂的材料,强度足以承受很大的重量,但又具有足够的柔韧性,可以减轻对关节的冲击并在不同方向上拉伸和扭曲。 这种复杂性是为什么研究人员在实验室中面临挑战以寻找可行的软骨替代品的原因。但是,杜克大学的研究人员认为他们已经接近可以与人类材料的强度和耐用性相匹配的新型凝胶。

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        人体软骨是一种复杂的材料,强度足以承受很大的重量,但又具有足够的柔韧性,可以减轻对关节的冲击并在不同方向上拉伸和扭曲。

        这种复杂性是为什么研究人员在实验室中面临挑战以寻找可行的软骨替代品的原因。但是,杜克大学的研究人员认为他们已经接近可以与人类材料的强度和耐用性相匹配的新型凝胶。

        杜克大学教授Ben Wiley说,Duke小组开发的材料是一种水凝胶(一种由吸水聚合物组成的材料),与人类软骨相似,因为它可以承受重载荷和曲折而不会随时间造成明显磨损。材料科学家与肯·加尔教授共同领导了这项工作。

        “我们着手制造出第一款具有软骨机械性能的水凝胶,” Wiley在谈到该团队的项目目标时说道。

        尽管软骨确实很坚硬,但多年的磨损(尤其是运动员或从事大量运动的人)却很难修理。研究人员认为,这种凝胶可以用于替换受损的软骨,这些人需要替换膝关节等关节周围的软骨或整个关节本身,但又希望尽可能延长严重的手术时间。

        研究人员开发的新型水凝胶由两个相互缠绕的聚合物网络组成。一种由类似于意大利面条的柔性线制成,而另一种则更硬。两者在其长度上都带有负电荷。该材料的第三个元素是纤维素纤维网,可增强其他两种材料。

        该项目的研究人员之一,获得博士学位的杨飞晨说:“只有这三个组成部分的结合才具有柔韧性和刚性,因此也很坚固。” 威利实验室化学专业的新闻稿中。

        像果冻,但更强

        该材料像软骨一样起作用的能力是基于对压力的两个关键反应。一种是在拉伸凝胶时,纤维素纤维可以抵抗拉动并有助于将材料保持在一起。

        或者,当挤压水凝胶时,沿着刚性聚合物链的负电荷会互相排斥并粘在水上。该反应有助于材料恢复其原始形状。

        在外观上,这种材料看起来与Jell-O并无不同,尽管就强度而言,流行的甜点在水凝胶上没有任何成分。即使凝胶是60%的水,一个四分之一大小的光盘也可以承受约100磅的重量而不会撕裂或变形。

        该小组在《高级功能材料》杂志上发表了一篇有关其工作的论文。

        研究人员进行了各种测试以证明材料的性能。他们说,在其中一项中,研究人员对其进行了100,000次重复拉动,结果令人惊讶。该材料与用于骨植入物的多孔钛一样耐用。

        在另一个实验中,研究小组将这种新材料与天然软骨摩擦了一百万次。结果表明,水凝胶的表面具有与真实物体一样的耐磨性,是目前美国FDA批准用于大脚趾的合成软骨植入物的四倍。

        尽管至少要再过三年,实验室测试才能进入临床试验,但是研究人员计划继续开发这种材料。他们的下一步将是创建可以在绵羊身上测试的植入物。

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