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科学家发明新材料 能拉伸还耐磨损

时间: 2020年07月09日 | 作者: Robin A. Smith | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
杜克大学的研究人员表示,他们已经研发出了第一款可以与真实软骨的强度和耐用性相当的凝胶材料。


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图片来源:Pixabay


撰文:Robin A. Smith

翻译:周蕴

审校:张哲


膝盖骨头的连接处存在一层神奇的物——又薄又滑的软骨。它既坚固到在数十年内一直承受人的体重,但又十分柔软,可以保护关节免受冲击。这样又柔又坚固的材料在实验室中很难复制。但是,杜克大学的研究人员表示,他们已经研发出了第一款可以与真实软骨的强度和耐用性相当的凝胶材料。


这种材料看起来有点像果冻,但它极其坚固。它的水含量为60%,但一个大小硬币的材料,可以承受约45千克的重量,而不会出现撕裂或变形。研发人员表示这是第一款能够承受拉力、具有人类软骨的载重量的水凝胶材料(吸水性聚合物),不会随着使用时间的延长而磨损。


这一研究由杜克大学化学和材料学家Ben Wiley和Ken Gall领导,将来有望成为患有膝关节疾病的人们的软骨替代物,并将作为一个替代方案用于美国每年进行的60万例膝关节替代手术。


光滑的弹性组织会覆盖骨头的末端,使它们能够彼此平滑地滑动。人每走一步,膝盖中软骨都将帮助吸收大量的力,这个力通常是人体重的2至3倍。但是,人类软骨的自我修复能力很有限。杜克大学机械工程和材料科学教授Gall说,一旦软骨随着年龄增长而磨损、过度使用或受到创伤,就很难恢复。


对于一些患者来说,如果他们不愿进行或想推迟只能维持20年的膝关节置换手术,人工软骨或可以成为一个备选项。自20世纪70年代以来,人们就一直在研究将水凝胶作为软骨的替代物,并用其制造了软性隐形眼镜和一次性尿布。水凝胶具有光滑,减震的特性,并且不会伤害附近的细胞,因此吸引了研究人员的注意。但是直到现在,它们的强度都太弱了,无法用于膝盖等承重关节。


杜克大学的研究团队开始着手改变这一点。杜克大学化学系教授Wiley说:“我们制造出了首个具有软骨特性的水凝胶。”这一新的水凝胶材料由两种缠结的网状聚合物组成:一种具有弹性的、类似条状的“意大利面”,另一种具有刚性、类似“篮子状”结构,它的纵向结构上带有负电荷。另外,他们还通过第3种纤维素网状结构,对材料进行了加固。


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凝胶材料大小仅相当于一个硬币,却可以承受100磅(约45千克)的重量,而不会撕裂或变形。图片来源:Feichen Yang


在凝胶拉伸时,纤维素可以抵抗拉力,将材料固定在一起。而当它被挤压时,刚性聚合物上的负电荷会相互排斥,能与水分子作用,使结构能保持原来的形状。Wiley团队的共同作者Feichen Yang博士说:“只有这3种成分结合,才得到了具有柔韧性和刚性,同时十分坚固的凝胶材料。”当研究人员比较这一材料与其他水凝胶时,它是唯一一个在挤压和拉伸下都具有软骨强度的材料。


在实验中,研究小组对该材料进行了10万次重复拉伸,发现它与作为骨植入物的多孔钛一样坚硬。文章的共同作者William Koshut博士说,“这超出了我们最初的预期。”


他们还将这种新材料与天然软骨摩擦了100万次。他们发现,这种材料光滑的、具有自润滑能力的表面,具有与软骨一样的耐磨性,是目前FDA批准的用于大脚趾治疗的合成软骨植入物的4倍。


Wiley说,将新材料从实验室应用到临床至少要花3年时间。最初的安全性测试证实该物质对实验室培养的细胞无毒。下一步,他们将设计一种可以在绵羊身上测试的植入物。研究小组表示,最终这项研究将可以为膝关节疼痛的患者提供更好的新选择,让他们重新做自己喜欢的事情。


文章链接:

https://phys.org/news/2020-06-lab-cartilage-mimicking-gel-strong-knees.html