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软骨损伤的有效治疗和修复仍然是当今医学界面临的重大挑战。美国杜克大学的研究人员最近创造了一种新型的水凝胶复合材料，其强度和耐久性与天然软骨组织相匹配。这项新进展有望克服目前软骨修复技术的局限性。
关节软骨是一种高度专业的组织，在人体中起着至关重要的作用。健康的软骨提供低摩擦的运动，并确保骨骼接缝中有效的承载和重量分布。
软骨 - 天然奇迹
天然软骨包括嵌入软骨细胞外基质内的稀疏分布的软骨细胞细胞。它主要由水（60-85wt％），15-22wt％II型胶原（体初级结缔组织之一）和4-7wt％糖胺聚糖（长线性多糖分子）组成。
这三个交织的组件提供了软骨组织的独特性质。平均厚度为2.2mm，软骨部分穿透下面的多孔骨组织，涂覆骨表面并确保关节中的低摩擦运动。同时，软骨是高度变形的，这通过增加整个接头之间的相对表面之间的接触面积促进有效负载分布。
骨骼和关节创伤对现代社会产生重大影响
软骨组织缺乏血管，导致营养供应不良和废物产物促进（通过软骨基质依赖于扩散），以及软骨细胞的代谢活性降低。这限制了自我再生和内在的修复。
除了经过几十年的持续使用后的正常软骨磨损，体育活动和道路事故导致的骨和关节损伤极大地促进了全球对软骨修复治疗和产品的需求，美国每年进行超过60万例膝关节置换手术。2018年全球软骨修复市场价值48亿美元。
目前，受损软骨组织的最常见的治疗仅提供短期症状缓解（通过去除松散的破坏软骨或移植供体软骨），或者需要用人工的接头更换损坏的接头。所有这些方法通常具有高故障率（10岁后25-50％），需要长期康复时间（12个月或更长时间）。
目前软骨修复和再生策略的局限性引发了学术和工业研究团体的生物医学研发的强烈努力，旨在开发具有类似天然软骨生物力学特性的替代材料。欧洲杯足球竞彩
智能材料有助欧洲杯足球竞彩于修复受损软骨
几种生物相容性和不可降解的工程材料，如钴铬合金、陶瓷和超高分子量聚乙烯，目前被用于软骨或整个关节置换。欧洲杯足球竞彩然而，与天然软骨相比，这些材料欧洲杯足球竞彩具有明显不同的力学性能，往往会对周围的骨结构产生不良影响。
自20世纪70年代以来，由于其生物相容性，高含水量和低渗透性，水凝胶（交联亲水性高度水解的亲水性网络）一直吸引科学家的注意力作为软骨替代材料，导致渗透能力和低蛋白质吸附。欧洲杯足球竞彩
这些材料的主要缺点是缺乏断裂强度和弹性模量不足，而这是支欧洲杯足球竞彩撑接头预期荷载所必需的。
杜克大学一个由Benjamin Wiley和Ken Gall教授领导的研究小组创造了一种新型水凝胶复合材料，它模仿了天然软骨组织的物理特性和行为。
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柔软而坚强的天然软骨
天然的软骨激发了新合成物的结构。该水凝胶由细菌纤维素(BC)纳米纤维网络与交联聚乙烯醇(PVA)和聚(2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸钠盐)制成的双网络水凝胶组成。
三个互进网络一起工作以提供材料的生物力学特性。BC网络有助于拉伸强度（类似于软骨中的胶原蛋白），而PVA和PAMP网络确保保留必要的水（59wt％）并提供粘弹性能量耗散，弹性恢复力（类似于软骨中的糖胺基甘油网络）跨越BC网络的均匀应力分布。
复合水凝胶具有优越的生物力学性质
在杂志和工友教授中描述了他们在杂志上的研究中的研究声明新的仿生水凝胶是第一种与张力和压缩中的天然软骨的强度和模量相匹配的第欧洲杯足球竞彩一工程材料。
机械测试表明，在压缩下，新的复合水凝胶具有类似于软骨的弹性模量，并且具有相同的时间依赖性机械反应。在1.43MPa的压缩应力下，新材料表现出小于5％的菌株。为了将其放入上下文中，90千克步行人的膝关节中的压缩应力约为2.5MPa。
传统软骨替代材料的持久替代品欧洲杯足球竞彩
同时，该材料的摩擦系数比软骨低45%，耐磨性比PVA-only水凝胶(目前用作软骨替代物)高4.4倍，在10万次载荷循环后，其疲劳强度与天然软骨相当。
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已经证明了水凝胶复合材料的三个成分是生物相容性的并且初始相容性试验表明该材料对实验室生长的细胞无毒。
迈向真实世界应用程序的步骤
作为下一步，研究团队旨在设计适合的植入物体内在动物中进行测试。他们设想，在三年内，新的软骨替代材料将用于商业疗法，作为传统软骨修复治疗或膝关节置换手术的更好的替代品。
参考和进一步阅读
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