磁誘導(dǎo)高強(qiáng)度各向異性水凝膠仿生軟骨材料的構(gòu)建及性能研究

多層梯度軟/硬一體化人工關(guān)節(jié)軟骨材料的仿生設(shè)計(jì) 

3D打印抗感染、促骨生長(zhǎng)水凝膠涂層作為人工關(guān)節(jié)假體的生物固定界面

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年需要人工關(guān)節(jié)置換的患者超過(guò)了200萬(wàn)例，但人工關(guān)節(jié)摩擦界面為硬-硬或硬-軟摩擦形式，容易發(fā)生磨損而失效，大大降低了人工關(guān)節(jié)的使用壽命。因此，亟需突破人工關(guān)節(jié)使用壽命短、翻修率過(guò)高的科學(xué)瓶頸。基于人體天然軟骨的有序取向、多層梯度、軟骨/骨一體化結(jié)構(gòu)，仿生設(shè)計(jì)高承載、超潤(rùn)滑、耐磨損的人工軟骨材料，仿生制造高可靠性、長(zhǎng)壽命的軟-軟摩擦人工關(guān)節(jié)，替代硬-硬或硬-軟摩擦人工關(guān)節(jié)，可解決人工關(guān)節(jié)磨損問(wèn)題。近期，我校材料與物理學(xué)院陳凱副教授/張德坤教授團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得了新的研究進(jìn)展。

受到人體天然軟骨結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)采用磁誘導(dǎo)、冷凍-解凍、退火等技術(shù)構(gòu)建了兼具高強(qiáng)度、低摩擦的各向異性水凝膠仿生軟骨材料。該水凝膠仿生軟骨材料顯示出各向異性的微觀結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度為10.65 MPa，韌性為52.2 MJ/m3，壓縮強(qiáng)度為4.86 MPa，高于其他的各向同性水凝膠以及大多數(shù)報(bào)道的水凝膠材料。此外，由于有序結(jié)構(gòu)的存在，水凝膠仿生軟骨材料的摩擦系數(shù)顯著降低至0.038，接近于天然軟骨的摩擦系數(shù)（0.001-0.04）。該研究結(jié)果為研發(fā)高可靠性、長(zhǎng)壽命的軟-軟摩擦人工關(guān)節(jié)提供了基礎(chǔ)材料。相關(guān)研究成果以“Anisotropic Hydrogels with Enhanced Mechanical and Tribological Performance by Magnetically Oriented Nanohybrids”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Chemical Engineering Journal（JCR一區(qū)，中科院TOP期刊）。

基于人體天然關(guān)節(jié)軟骨的分層結(jié)構(gòu)及天然關(guān)節(jié)軟骨/骨一體化結(jié)構(gòu)，利用PVA/HA復(fù)合水凝膠和PVA/HA/PAA復(fù)合水凝膠制備了多層仿生軟骨材料，隨后將多層仿生軟骨材料接枝在經(jīng)氧化酯化的超高分子量聚乙烯上構(gòu)建了仿生軟/硬一體化材料。該仿生軟/硬一體化材料表現(xiàn)出分層結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度、低摩擦的優(yōu)異性能，成功模擬了軟骨/骨的層次結(jié)構(gòu)和功能，為軟/硬一體化人工關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)及制造提供了新思路。上述研究成果形成題為“Fabrication and Characterization of a Multilayer Hydrogel as a Candidate for Artificial Cartilage”的論文發(fā)表在國(guó)際期刊ACS Applied Polymer Materials（JCR一區(qū)）。

為改善人工關(guān)節(jié)假體與骨界面的固定效果，防止術(shù)后感染，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型抗菌水凝膠涂層作為人工關(guān)節(jié)假體的生物固定界面。以抗菌殼聚糖（CS）和明膠（GT）為生物墨水，采用3D打印技術(shù)在鈦合金基體上打印出具有網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的CS-GT水凝膠涂層。3D打印CS-GT抗菌水凝膠涂層具有雙尺度多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、良好的親水性和生物相容性，為細(xì)胞粘附和骨生長(zhǎng)提供了理想的微環(huán)境，促進(jìn)了骨界面與人工關(guān)節(jié)假體之間的快速固定。該技術(shù)為生物固定界面在人工關(guān)節(jié)置換術(shù)中的應(yīng)用開辟了新的可能性。該研究成果以“3D printed chitosan-gelatine hydrogel coating on titanium alloy surface as biological fixation interface of artificial joint prosthesis”為題發(fā)表在國(guó)際期刊International Journal of Biological Macromolecules（JCR一區(qū)，中科院TOP期刊）。

上述論文均以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)為第一單位，陳凱副教授、張德坤教授為共同通訊作者。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。