基于凱芙拉納米纖維的人造軟骨問世

基于凱芙拉納米纖維的人造軟骨問世

雖然水凝膠被視為天然軟組織的潛在替代材料，但由于其過于柔軟和脆弱，難以實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)軟骨相似的力學(xué)行為。近日，由密歇根大學(xué)Nicholas Kotov教授和徐立之博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和江南大學(xué)胥傳來教授等合作發(fā)明了一種基于凱芙拉納米纖維(ANF)和聚乙烯醇（PVA）的仿生水凝膠。該材料模仿了天然軟組織中膠原蛋白纖維-蛋白聚糖的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及納米材料間相互作用，使其具有與關(guān)節(jié)軟骨相似甚至更高的水含量和力學(xué)性質(zhì)。在含有70%～92%水份的同時(shí)，其拉伸模量、斷裂伸長率、壓縮強(qiáng)度分別可達(dá)9.1MPa、325%、26MPa。其斷裂韌性甚至高達(dá)9200J/m2，相當(dāng)于關(guān)節(jié)軟骨的10倍。

由于ANF和PVA之間的氫鍵作用，這種納米纖維網(wǎng)絡(luò)可以在應(yīng)力的作用下重構(gòu)，在承受宏觀變形的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)有效的載荷傳遞和能量耗散。該材料在微觀尺度上重現(xiàn)了天然生物結(jié)構(gòu)材料中特有的基于剛性-柔性組元間相互作用的力學(xué)設(shè)計(jì)。這種巧妙的設(shè)計(jì)使得ANF-PVA水凝膠與珍珠母、軟骨、韌帶、肌腱等天然材料相似，實(shí)現(xiàn)了高剛度和高韌性的完美結(jié)合。

在具有優(yōu)越力學(xué)性能的同時(shí)，ANF-PVA的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)輸運(yùn)，使其在生物組織工程、電化學(xué)能源技術(shù)、環(huán)境工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。ANF-PVA水凝膠還具有良好的生物相容性，有望應(yīng)用于下一代可植入生物醫(yī)學(xué)器件以及其他技術(shù)中。

（摘編自高分子科學(xué)前沿）