发布日期：2017-11-21
人工软骨非常灵活而且耐撕裂。图片来源：密歇根大学
软骨是身体内一种非常“神奇”的组织，它具有无与伦比的液体强度。在软骨组织中，80%的成分是水，却能帮助我们的身体应对很强大的压力。
合成的材料往往难以与天然的软骨相媲美，直到来自密歇根大学和中国江南大学的研究人员们开发了“Kevlartilage”。这是一种基于芳纶的材料，芳纶是一种合成纤维，被广泛所知的是它用于防弹背心，其强度可见一斑。另一种材料是聚乙烯醇（PVA），这是一种常见的水凝胶软骨中的材料。这种全新的混合材料带给了我们意想不到的惊喜，它不但具有非常好的强度，同时也具有天然软骨相似的含水量，有望成为替代身体内软骨或其他软组织的优质选择。研究发表在最近的《Advanced Materials》上。
软骨在临床上有着非常大的需求，在美国，有85万人需要接受手术切除或者更换膝关节的软骨。有很多关节损伤的人群将从优质的软骨替代品中获益。虽然其他种类的人造软骨已经在进行临床试验，但这些材料无法达到强度和水含量的完美组合。
研究的领导者Nicholas Kotov教授表示，其他用于模拟软骨的合成材料物理性质决定了，它没有足够的水来运输细胞需要生长的营养物质。与此同时，水凝胶可以设计出足够的水来支持软骨细胞的生长，这些细胞可以建立天然的软骨。然而，这些水凝胶的强度并不是很好，它们会容易被撕裂。
和天然软骨一样，人造软骨通过释放水分来承受压力，然后通过吸收水分来恢复。图片来源：密歇根大学
在天然软骨中，蛋白质和其他生物分子的网络通过其腔内的水流而获得力量。来自水的压力重新配置了网络，使它变形而不被破坏。水在这个过程中被释放，而网络之后会通过吸收水来恢复。
这种机制使得关节能够承受较大的冲击，以对抗外来力量。例如膝盖，跑步过程中，在骨头之间的软骨上反复的施加力量，迫使水流出，使软骨变得更柔软。然后，当跑步者休息时，软骨会吸收水分，这样它就能再次抵抗压迫。
人造软骨具有同样的机制，在压力下释放水分，然后像海绵一样吸收水分。纳米纤维形成了材料的框架，而当材料暴露于拉伸或压缩时，在网络中的PVA会捕捉水分。即使是92%的水的版本也能与软骨相媲美，70%的版本则达到了橡胶的弹性。
合成软骨基质的电子显微镜图像。图片来源：密歇根大学
由于这种混合材料不会对邻近的细胞造成伤害，Kotov预计这种人造软骨在某些情况下，可以作为合适的植入物，比如膝盖的深处。他还想知道软骨细胞是否能够在这种合成网络内生长，以产生一种混合软骨。
研究人员觉得这种材料的潜在应用并不局限于软骨。他们期待混合材料在不同比例下所构建的类似网络，可能会同样适用于其他软组织。
参考资料
[1] Kevlar-based artificial cartilagemimics the magic of the real thing
[2] High-Strength Artificial Cartilage Madefrom Kevlar
来源：康健新视野（微信号 HealthHorizon）
