《ACS Materials Lett.》哈工程張馨月/馬寧：超韌/穩(wěn)定/抗溶脹/生物啟發(fā)導(dǎo)電水凝膠，用于關(guān)節(jié)軟骨置換

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關(guān)注 2021年5月21日 09:51

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【科研摘要】

仿生關(guān)節(jié)軟骨的制造一直是一個熱門話題，因為許多人都患有軟骨退行性變。 在各種替代材料中，具有生物相容性且低摩擦的 PVA基水凝膠顯示出其替代天然軟骨的特殊潛力。然而，大多數(shù)水凝膠的多孔性質(zhì)在液體環(huán)境中易于不可避免地溶脹或降解，從而限制了它們在組織工程的實際臨床應(yīng)用中的才能。

最近 ， 哈爾濱工程大學(xué) 張馨月博士 / 馬寧 教授 團(tuán)隊 通過結(jié)合兩種具有成本效益和生物相容性的材料， 聚乙烯醇（PVA）和植酸鈉（PANa），設(shè)計和制備了一種具有生物啟發(fā)性的水凝膠，它們在不同的溶液中具有超強(qiáng)的韌性和長期的抗溶脹性能。 PANa和PVA之間的 強(qiáng)氫鍵 以及PVA鏈的 結(jié)晶微相 ， 在提供物理交聯(lián)點以使 PVA-PANa凝膠具 有致密的多孔結(jié)構(gòu) 方面發(fā)揮了主要作用。同時，對PVA-PANa復(fù)合物引入了壓縮過程，以進(jìn)一步增強(qiáng)其機(jī)械性能。此外， PANa的引入可以使PVA-PANa凝膠具有良好的導(dǎo)電性，在應(yīng)變傳感中表現(xiàn)出高度靈敏和穩(wěn)定的響應(yīng)。

這種高強(qiáng)度，抗溶脹和導(dǎo)電水凝膠的創(chuàng)新制備方法將為生產(chǎn)可植入智能生物材料開辟一條有希望的途徑。 相關(guān)論文以題為 Bioinspired Conductive Hydrogel with Ultrahigh Toughness and Stable Antiswelling Properties for Articular Cartilage Replacement 發(fā)表在《 ACS Materials Letters 》上。

【主圖導(dǎo)讀】

示意圖 1. PVA-PANa凝膠形成機(jī)理的示意圖

圖 1. PVA-PANa凝膠的制備過程。 （a）PVA-PANa凝膠的制備過程方案。PVA-PANa凝膠的溶脹行為隨時間（b）和UV-vis光譜（c）而變化（插入圖為PVA-PANa凝膠的照片）。（d）染色的PVA-PANa凝膠成型不同形狀的數(shù)碼照片（比例尺：1厘米）。

圖 2. PVA-PANa凝膠的 基礎(chǔ) 特征。

圖 3. PVA-PANa凝膠的機(jī)械性能。

圖 4. PVA-PANa凝膠的抗溶脹性能。

圖 5.導(dǎo)電性能和應(yīng)變感應(yīng)性能。

【總結(jié)】

基于生物相容性 PVA和PANa之間的強(qiáng)相互作用， 團(tuán)隊 提出了一種簡便而經(jīng)濟(jì)的策略來構(gòu)建新型的關(guān)節(jié)軟骨替代材料。 合成的PVA-PANa水凝膠具有韌性，易于成型，抗溶脹和導(dǎo)電性的優(yōu)點，可以充分滿足模擬關(guān)節(jié)軟骨的實際需求。顯著地， 由于壓縮成型工藝，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將比以前通過外力變得更加均勻和致密，從而使水凝膠具有更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和更好的抗溶脹性能。 PVA和PANa之間的原始致密氫鍵以及PVA的原位形成的結(jié)晶微相共同使水凝膠的斷裂應(yīng)力超過7 MPa，幾乎達(dá)到了報道的基于PVA的水凝膠的最高強(qiáng)度。同時， PVA-PANa凝膠在 不同的溶液（包括 H ₂ O，PBS緩沖溶液和生理鹽水）中可以穩(wěn)定20天以上 ，而沒有明顯的溶脹和損壞。PVA-PANa凝膠的這些出色能力接近天然軟骨的基本特性， 使其成為下一代可植入軟骨替代材料的最佳選擇。 摻雜的PANa除了具有良好的彈性外，還賦予PVA-PANa凝膠以離子導(dǎo)電性，并且可以表現(xiàn)出靈敏的響應(yīng)和外部應(yīng)變變化的可再現(xiàn)性，這將是智能仿生傳感元件的有希望的候選者。

參考文獻(xiàn) ： doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00203

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