要点
1.文章报道了首个在拉伸和压缩中均具有软骨强度和模量的水凝胶，并且首个在105次循环中表现出与软骨等效的拉伸疲劳强度。
2.通过用聚乙烯醇（PVA）-聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸钠盐）（PAMPS）双网络水凝胶渗透细菌纤维素（BC）纳米纤维网络来实现这些特性。
3.BC提供的抗张强度类似于软骨中的胶原蛋白，而PAMPS提供固定的负电荷和渗透恢复力，类似于软骨聚集蛋白聚糖的作用。
4.水凝胶具有与软骨相同的聚集模量和渗透性，在有限压缩下导致相同的随时间变化的变形。
5.水凝胶没有细胞毒性，摩擦系数比软骨低45％，耐磨性是PVA水凝胶的4.4倍。这种水凝胶的特性使其成为替代受损软骨的极佳候选材料。
1.背景
美国每年约有90万人遭受骨骼末端排列的关节软骨损害，其中膝盖最常见。关节软骨病变的内在愈合能力有限，通常会导致骨关节炎并产生疼痛。当前修复软骨的方法有骨髓刺激（微骨折）、自体软骨细胞植入、骨软骨移植。但这些方法失败率较高（25-50％）、康复时间长（>12个月）、疗效低。
与软骨一样，水凝胶主要由水组成且渗透率低，已被广泛地用作软骨替代品。但至今报道的水凝胶在循环载荷和磨损条件下无法同时满足机械强度和耐用性来代替承重的软骨）。如果要使用合成水凝胶替代软骨，则其至少应具有软骨强度、与软骨相同的时间依赖性机械性能、疲劳强度和耐磨性，以使其在恢复正常活动时不会失效、正常的应力分布以及耐用性。
美国杜克大学Benjamin J. Wiley团队在《Advanced Functional Material》上介绍了一种仿生方法，创建第一个在拉伸和压缩时均具有软骨强度和模量的水凝胶。这种水凝胶（BC– PVA–PAMPS水凝胶）由细菌纤维素（BC），聚乙烯醇（PVA）和聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠）（PAMPS）组成。直径为20 mm的圆柱形BC–PVA–PAMPS水凝胶的100磅重量（压缩应力为1.43 MPa）下应变<5％。一个200磅（890 N）的人在行走过程中在膝盖上的峰值力为3000 N，对应的峰值接触应力为2.5 MPa。该水凝胶具有作为软骨的负重替代品所需的抗压强度和模量。
2.结果与讨论
2.1 BC–PVA–PAMPS水凝胶的设计根据
关节软骨主要由水（占60-85％），直径约100nm的胶原纤维（占15-22％）和带负电荷的聚集蛋白聚糖（占4-7％）组成。胶原纤维网络使软骨的拉伸强度高。聚集蛋白聚糖与透明质酸形成大的聚集体，固定在胶原蛋白网络中，从而使软骨具有可抵抗压缩负荷的渗透压。
由于BC具有生物相容性、高抗张强度、且在体内稳定，BC被选为模拟胶原蛋白的纳米纤维网络。由PVA水凝胶的第二网络渗入到BC网络提供的弹性恢复力以及粘弹性能量耗散， BC纤维可分担复合框架中的载荷来提高拉伸强度。将PAMPS网络添加到水凝胶中，水凝胶从PAMPS分子上的硫酸根基团获得固定的负电荷，从而模仿硫酸软骨素和硫酸角质素组分的作用。该负电荷使水凝胶可膨胀并保持抗压强度。BC-PAMPS和BC-PVA水凝胶的强度均小于软骨强度，而BC–PVA–PAMPS水凝胶的压缩模量（23 MPa）和强度（10.8 MPa）都在软骨当量范围内（图2B）。
图2 A，B）BC–PVA，BC–PAMPS和BC–PVA–PAMPS水凝胶的拉伸和压缩应力-应变曲线；C）BC–PVA–PAMPS水凝胶制备过程示意图；D，E）BC和BC–PVA–PAMPS水凝胶的低温SEM（cryo-SEM）图像。
2.2水凝胶制备过程
图2C说明了BC–PVA–PAMPS水凝胶的制备过程。首先，通过在2个金属板之间使用垫片将一块BC压制到受控厚度（0.5mm）。图2D显示了BC的纳米纤维性质。接着，将压制的BC在40wt％PVA的水溶液中浸泡24小时（135℃），使PVA溶液扩散到BC中。然后将BC–PVA凝胶在–78°C下冷冻30分钟，解冻至室温以物理交联PVA网络。然后将BC–PVA水凝胶浸泡在AMPS， MBAA， I2959和过硫酸钾（KPS）溶液24小时。紫外光固化15分钟，然后在60°C的烤箱中加热固化8小时，以确保均匀固化。所得的BC–PVA–PAMPS水凝胶在0.15 M磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中保存24 h，然后进一步表征。图2E是BC–PVA–PAMPS水凝胶表面的冷冻SEM图像。
2.3成分对强度和模量的影响
PVA分子量从77 000 g mol-1增加到146000 g mol-1，由于氢键和聚合物链之间的缠结增加，水凝胶的拉伸和压缩强度达到软骨等效范围内。PAMPS本身会形成相对较硬的脆性水凝胶。因此增加AMPS浓度会增加拉伸模量和压缩模量。添加中等范围的AMPS（20–30 wt％）可提供相当于软骨的机械性能。适当浓度（0–60×10-3 M）的MBAA对水凝胶的机械性能影响相对较小，但MBAA浓度更高时，其拉伸模量超出软骨等效范围。
图3 A）不同配方的BC-PVA-PAMPS水凝胶的拉伸强度，B）拉伸模量，C）压缩强度和D）压缩模量。除非另有说明，否则BC，PVA，PAMPS，MBAA的浓度为20、40、30wt％和60×10-3M， PVA的分子量为14.6 万g mol-1。对应于软骨等效水凝胶的成分范围以蓝色阴影表示。
2.4密闭压缩下的应变
理想情况下，与软骨等效的水凝胶不仅应具有与软骨等效的强度和模量，其时间机械性能也应与其相似。图 4A显示了在恒定压力为0.04 MPa的有限压力下，BC–PVA–PAMPS和猪股软骨的压缩应变与时间的关系图。在PBS（0.15 M）中测试以模拟生理环境中的盐浓度。BC–PVA–PAMPS水凝胶的应变曲线与猪软骨相似。通过拟合0.04-0.1 MPa范围内的应力-平衡应变曲线的斜率来确定样品的总模量。BC–PVA–PAMPS水凝胶和猪软骨的总模量均为0.78 MPa，在人类股骨软骨值范围内（0.46-1.43 MPa）。其渗透性（3.2 × 10-15 m4 N-1 s-1）也在人软骨范围内（1.2-9.2× 10-15 m4 N-1 s-1）。
2.5摩擦系数（COF）
任何软骨替代物应具有类似的低COF和耐磨性，使软骨表面的磨损最小化。如图4B所示，BC–PVA–PAMPS的COF（0.06）不仅在已报道的软骨替代水凝胶中达到最低，也低于猪关节软骨（0.11）。这是因为PAMPS网络的负电荷以及BC在减少AMPS浸泡过程中水凝胶溶胀中的作用。PAMPS水凝胶网络的带电表面可以增加凝胶和相对表面之间的水润滑层的厚度，从而降低COF。
2.6耐磨性
接下来，作者通过在PBS中以及在1 MPa压力下旋转样品顶部测试水凝胶的耐磨性，BC–PVA–PAMPS水凝胶的最大磨损深度（370 µm）小于其他水凝胶，甚至比猪软骨小14％（图4B-C）。这种出色的耐磨性归因于BC–PVA–PAMPS水凝胶的低COF、高模量和高强度。作者还测量了PVA和BC–PVA–PAMPS水凝胶在牛血清中软骨的磨损，以确定在生理相关的条件下可能发生的磨损量。在1 MPa的压力下，将软骨钉在BC-PVA-PAMPS盘和PVA盘的顶部旋转106次循环。在MicroCT下无法检测到BC–PVA–PAMPS水凝胶的磨损，说明106次循环后，最大磨损深度小于MicroCT的分辨率（25 µm）。另一方面，在相同的测试条件下进行20万次循环后，PVA样品会完全磨损（3.5毫米）。这些结果表明体内BC–PVA–PAMPS水凝胶的磨损量可以忽略不计。
2.7抗疲劳
软骨在体内会经历周期性的应力，因此表征水凝胶疲劳特性非常重要。为确保水凝胶在疲劳实验过程中不发生变化，作者将水凝胶样品在PBS溶液中保存长达12天，并测量其厚度和拉伸强度。水凝胶的拉伸强度和厚度在12天内保持恒定。且强度更高的样品能够承受更高的应力率。BC–PVA–PAMPS水凝胶在105个循环中表现出极高疲劳强度（8.62 MPa），与85％多孔3D打印钛金属相当（图4D）。PAMPS是脆性的，向BC添加PAMPS可降低其疲劳抵抗力。PVA是韧性的，向BC中添加PVA可以提高其抗疲劳性；在105个循环中，所有四个BC-PVA样品均无损坏。PVA可以充当增韧剂并消除PAMPS的较差的疲劳性能。BC–PVA–PAMPS的疲劳强度与中年成年人的软骨疲劳强度相同。
图4 A）在0.04 MPa以下的BC–PVA–PAMPS水凝胶和软骨上进行受限的单轴蠕变测试的应变与时间关系。B）猪软骨与BC–PVA–PAMPS水凝胶的摩擦系数和磨损深度的比较。C）BC–PVA–PAMPS水凝胶，猪软骨，PVA–PAMPS水凝胶，PAMPS–PDMAAm水凝胶和PVA水凝胶的CT图像，在PBS中100mm s-1磨损测试105转之前和之后。D）施加的最大循环拉伸应力与断裂前的循环次数之间的关系。八个样本在105次循环后没有失败。
2.8生物相容性
将L‐929小鼠成纤维细胞与水凝胶提取物孵育48小时后，未观察到细胞毒性或裂解迹象。明水凝胶的成分的生物相容性已被证明，这一结果不足为奇。该水凝胶适合用作体内的软骨替代物，但必须进行进一步的动物试验以确认水凝胶在更长时间内的生物相容性。
3 结论
BC–PVA–PAMPS水凝胶的总模量和渗透率使其在受限压缩下具有与软骨相同的时间依赖性机械响应。BC–PVA–PAMPS水凝胶的摩擦系数约为软骨的一半，耐磨性是PVA的4.4倍，并且在105次循环中表现出与软骨等效的疲劳强度。BC–PVA–PAMPS无细胞毒性。这些特性使BC–PVA–PAMPS水凝胶成为用于修复软骨损伤的极佳候选材料。
参考文献：doi.org/10.1002/adfm.202003451
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