人造软骨性能优于真正的软骨

诸平

A hydrogel-based implant could replace worn-out cartilage and alleviate knee pain without replacing the entire joint. Credit: Benjamin Wiley, Duke University.

据美国杜克大学（Duke University）2022年8月11日报道，该校研究人员在实验室制造的软骨凝胶性能优于真正的软骨凝胶（详见Stiff, achy knees? Lab-made cartilage gel outperforms the real thing）。水凝胶植入物可以替代磨损的软骨，减轻膝盖疼痛，而无需更换整个关节。

非处方止痛药，物理疗法，类固醇（steroid）注射有些人已经尝试了所有的方法，仍然在处理膝盖疼痛。膝关节疼痛（knee pain）通常来自软骨（cartilage）的逐渐磨损和撕裂，膝关节疼痛也就是骨关节炎（osteoarthritis），全球有近六分之一的人受其影响，患者约8.67亿人。对于那些想避免更换整个膝关节的人来说，可能很快就会有另一种选择，可以帮助患者快速、无疼痛地恢复，并保持这种状态。相关研究结果于2022年8月4日已经在《高级功能材料》（ Advanced Functional Materials）杂志网站发表——Jiacheng Zhao, Huayu Tong, Alina Kirillova, William J. Koshut, Andrew Malek, Natasha C. Brigham, Matthew L. Becker, Ken Gall, Benjamin J. Wiley. A Synthetic Hydrogel Composite with a Strength and Wear Resistance Greater than Cartilage. Advanced Functional Materials, First Published: 04 August 2022. DOI: 10.1002/adfm.202205662. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202205662

杜克大学领导的一个研究小组在《高级功能材料》杂志上发表文章称，他们已经制造出了第一种凝胶基软骨替代品，比真正的软骨更坚固、更持久耐用。

力学测试表明，杜克大学研究团队的水凝胶是一种由吸水聚合物制成的材料，它可以比天然软骨承受更大的压力和拉力，而且抗磨损能力是天然软骨的三倍。目前斯巴达生物医学公司（Sparta Biomedical）正在开发这种材料的植入物，并在绵羊身上进行测试。研究人员正准备在2023年开始人体临床试验。

杜克大学化学教授本杰明·威利（Benjamin J. Wiley）说:“如果一切按计划进行，临床试验最早将于2023年4月开始。”本杰明·威利和杜克大学机械工程和材料科学教授肯·加尔（Ken Gall）共同领导了这项研究。

为了制造这种材料，杜克大学的研究团队将薄的纤维素纤维（cellulose fibers ）片注入一种叫做聚乙烯醇（ polyvinyl alcohol）的聚合物中，这是一种由重复分子的弦状链组成的粘性粘性物质，从而形成凝胶。

本杰明·威利说，纤维素纤维的作用类似于天然软骨中的胶原纤维，它们在拉伸时提供凝胶强度，而聚乙烯醇是来帮助它恢复原来的形状。其结果是一种类似果冻的材料，60%是水，柔软却惊人的坚固。天然软骨在达到断裂点之前，可以承受每英寸5800~8500磅的巨大拉力和挤压。他们实验室制造的凝胶是第一种可以承受更多拉力和压力的水凝胶。它比自然软骨可承受的拉力强度要高26%，就像把七架三角钢琴悬挂在钥匙环上一样；它可以承受的压力强度要比自然软骨高66%，就像把一辆汽车停在一张邮票上一样。

本杰明·威利说:“就水凝胶强度而言，它真的是超出了图表的范围。”

该团队已经制造出具有显著特性的水凝胶。2020年，他们曾报告（ In 2020, they reported）说，他们创造了第一种足够坚固的可用于膝盖的水凝胶，每走一步都能感受到两到三倍于体重的力量。

然而，将这种凝胶作为软骨替代物实际应用，带来了额外的设计挑战。一个是达到软骨强度的上限。像跳、刺、爬楼梯这样的活动会给膝关节软骨带来大约10 MPa（10 Megapascals）的压力，也就是每平方英寸1400磅的压力(1,400 pounds per square inch)。但这种组织需要四倍的压力才能断裂。

“我们知道还有改进的空间，”本杰明·威利说。

在过去，研究人员试图制造更强的水凝胶，使用冷冻-解冻过程在凝胶中产生晶体，这些晶体可以排出水分，帮助将聚合物链固定在一起。在这项新研究中，研究人员使用了一种称为退火的热处理方法，而不是冻结和解冻水凝胶，以诱导更多的晶体在聚合物网络中形成。通过增加晶体含量，研究人员能够生产出一种凝胶，相对于冻融法，这种凝胶可以承受五倍于冻融法的拉力和近两倍于冻融法的挤压。

退火凝胶强度的提高也帮助解决了第二个设计难题:将其固定在关节上，并使其保持原位。

软骨形成一层薄层覆盖在骨头的末端，这样它们就不会互相摩擦。以前的研究还没有能够将水凝胶直接附着在骨头或软骨上，并具有足够的强度来防止它们松动或滑脱。因此，杜克大学的研究小组想出了一种不同的方法。

他们的吸附方法包括将水凝胶粘合并固定到钛基上。然后将其压入并固定在受损软骨原来所在的洞中。试验表明，这种设计比天然软骨固定在骨骼上的牢固程度高68%。

本杰明·威利说:“膝盖植入物的另一个问题是随着时间的推移，植入物本身和相反的软骨都会磨损。”

其他研究人员曾尝试用金属或聚乙烯制成的膝关节植入物来替换受损的软骨，但由于这些材料比软骨更硬，它们可能会擦伤膝盖的其他部位。在磨损测试中，研究人员使用人造软骨和天然软骨，让它们相互旋转100万次，其压力类似于行走时膝盖所承受的压力。通过使用一种被称为微计算机断层扫描(micro-computed tomography简称micro-CT)的高分辨率X射线扫描技术，科学家们发现他们实验室的制造物的表面比真实的天然软骨要好3倍。然而，由于水凝胶模仿了真实软骨的光滑、滑爽和缓冲特性，它可以保护其他关节表面在与植入物滑动时免受摩擦。

天然软骨是非常耐久的东西。但一旦受损，它的愈合能力有限，因为它没有任何血管，本杰明·威利说。

在美国，骨关节炎的发病率是一个世纪前的两倍（ twice as common today）。当保守治疗失败时，手术是一种选择。在过去的几十年里，外科医生们已经开发出了许多微创的方法，例如移除松动的软骨，或凿洞以刺激新的生长，或从捐赠者那里移植健康的软骨。但所有这些方法都需要几个月的恢复，随着时间的推移，有些方法会失败。

全膝关节置换术（total knee replacement）通常被认为是最后的手段，是一种被证明可以缓解疼痛的方法。但是人造关节也不是永久的。本杰明·威利说，特别是对于那些希望避免为一个以后只需要再次更换的设备进行大手术的年轻患者来说，“目前还没有非常好的选择。”

本杰明·威利说:“我认为我们的研究结果将是现阶段人们治疗的一个巨大变化。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

From the lab, the first cartilage-mimicking gel that's strong enough for knees

Abstract

Key hurdles for replacing damaged cartilage with an equivalent synthetic construct are the development of a hydrogel with a strength that exceeds that of cartilage and fixation of this hydrogel onto the surface of an articulating joint. This article describes the first hydrogel with a tensile and compressive strength (51 and 98 MPa) that exceeds those of cartilage (40 and 59 MPa), and the first attachment of a hydrogel to a metal backing with a shear strength (2.0 MPa) that exceeds that of cartilage on bone (1.2 MPa). The hydrogel strength is achieved through reinforcement of crystallized polyvinyl alcohol with bacterial cellulose. The high attachment strength is achieved by securing freeze-dried bacterial cellulose to a metal backing with an adhesive and a shape memory alloy clamp prior to infiltration and crystallization of the polyvinyl alcohol. The bacterial cellulose-reinforced polyvinyl alcohol is three times more wear resistant than cartilage over one million cycles and exhibits the same coefficient of friction. These advances in hydrogel strength and attachment enable the creation of a hydrogel-based implant for durable resurfacing of damaged articulating joints.