發布日期：2017-11-21

人工軟骨非常靈活而且耐撕裂。圖片來源：密歇根大學

軟骨是身體內一種非常“神奇”的組織，它具有無與倫比的液體強度。在軟骨組織中，80%的成分是水，卻能幫助我們的身體應對很強大的壓力。

合成的材料往往難以與天然的軟骨相媲美，直到來自密歇根大學和中國江南大學的研究人員們開發了“Kevlartilage”。這是一種基于芳綸的材料，芳綸是一種合成纖維，被廣泛所知的是它用于防彈背心，其強度可見一斑。另一種材料是聚乙烯醇（PVA），這是一種常見的水凝膠軟骨中的材料。這種全新的混合材料帶給了我們意想不到的驚喜，它不但具有非常好的強度，同時也具有天然軟骨相似的含水量，有望成為替代身體內軟骨或其他軟組織的優質選擇。研究發表在最近的《Advanced Materials》上。

軟骨在臨床上有著非常大的需求，在美國，有85萬人需要接受手術切除或者更換膝關節的軟骨。有很多關節損傷的人群將從優質的軟骨替代品中獲益。雖然其他種類的人造軟骨已經在進行臨床試驗，但這些材料無法達到強度和水含量的完美組合。

研究的領導者Nicholas Kotov教授表示，其他用于模擬軟骨的合成材料物理性質決定了，它沒有足夠的水來運輸細胞需要生長的營養物質。與此同時，水凝膠可以設計出足夠的水來支持軟骨細胞的生長，這些細胞可以建立天然的軟骨。然而，這些水凝膠的強度并不是很好，它們會容易被撕裂。

和天然軟骨一樣，人造軟骨通過釋放水分來承受壓力，然后通過吸收水分來恢復。圖片來源：密歇根大學

在天然軟骨中，蛋白質和其他生物分子的網絡通過其腔內的水流而獲得力量。來自水的壓力重新配置了網絡，使它變形而不被破壞。水在這個過程中被釋放，而網絡之后會通過吸收水來恢復。

這種機制使得關節能夠承受較大的沖擊，以對抗外來力量。例如膝蓋，跑步過程中，在骨頭之間的軟骨上反復的施加力量，迫使水流出，使軟骨變得更柔軟。然后，當跑步者休息時，軟骨會吸收水分，這樣它就能再次抵抗壓迫。

人造軟骨具有同樣的機制，在壓力下釋放水分，然后像海綿一樣吸收水分。納米纖維形成了材料的框架，而當材料暴露于拉伸或壓縮時，在網絡中的PVA會捕捉水分。即使是92%的水的版本也能與軟骨相媲美，70%的版本則達到了橡膠的彈性。

合成軟骨基質的電子顯微鏡圖像。圖片來源：密歇根大學

由于這種混合材料不會對鄰近的細胞造成傷害，Kotov預計這種人造軟骨在某些情況下，可以作為合適的植入物，比如膝蓋的深處。他還想知道軟骨細胞是否能夠在這種合成網絡內生長，以產生一種混合軟骨。

研究人員覺得這種材料的潛在應用并不局限于軟骨。他們期待混合材料在不同比例下所構建的類似網絡，可能會同樣適用于其他軟組織。

參考資料

[1] Kevlar-based artificial cartilagemimics the magic of the real thing

[2] High-Strength Artificial Cartilage Madefrom Kevlar

來源：康健新視野（微信號 HealthHorizon）