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人造軟骨有與天然軟骨相似的“神奇”功能2017-11-21 11:04來源:生物谷
軟骨是身體內(nèi)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(yīng)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(fā)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(nèi)軟骨或其他軟組織的優(yōu)質(zhì)選擇。研究發(fā)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(shù)切除或者更換膝關(guān)節(jié)的軟骨。有很多關(guān)節(jié)損傷的人群將從優(yōu)質(zhì)的軟骨替代品中獲益。雖然其他種類的人造軟骨已經(jīng)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***Nicholas Kotov教授表示,其他用于模擬軟骨的合成材料物理性質(zhì)決定了,它沒有足夠的水來運輸細胞需要生長的營養(yǎng)物質(zhì)。與此同時,水凝膠可以設(shè)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。
在天然軟骨中,蛋白質(zhì)和其他生物分子的網(wǎng)絡(luò)通過其腔內(nèi)的水流而獲得力量。來自水的壓力重新配置了網(wǎng)絡(luò),使它變形而不被破壞。水在這個過程中被釋放,而網(wǎng)絡(luò)之后會通過吸收水來恢復。
這種機制使得關(guān)節(jié)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(wǎng)絡(luò)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。
由于這種混合材料不會對鄰近的細胞造成傷害,Kotov預(yù)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(wǎng)絡(luò)內(nèi)生長,以產(chǎn)生一種混合軟骨。
研究人員覺得這種材料的潛在應(yīng)用并不局限于軟骨。他們期待混合材料在不同比例下所構(gòu)建的類似網(wǎng)絡(luò),可能會同樣適用于其他軟組織。
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