科学家发明出坚固又生物相容的水凝胶型骨肌腱粘合剂

2022-12-23 · 阅读

肌腱是连接肌肉和骨骼的高强度各向异性结缔组织，在关节正常运动中起着重要作用，并在体内传递力量。肌腱中各向异性、分层排列的胶原纤维的强大机械性能，让肌腱到骨骼的整合成为可能。一般来说，这种独特而复杂的界面以及相应的肌腱和韧带的力学特性是很难用生物材料模拟的。与传统水凝胶相比，近年研究中的水凝胶具有较高的力学性能和粘附性能。但是，大多数报道的水凝胶要么具有较高的粘附力，但机械性能明显低于肌腱，要么具有较强的机械性能，但粘附力非常弱。获得既有高粘附性能又有强机械性能的水凝胶具有困难，这需要水凝胶有高模量或强度与其附着力之间的权衡；通常硬而强的水凝胶很难在固体表面上达到高附着力。
近期成均馆大学化学工程学院CHO等发明了一种同时具有高机械性能、高粘附性能的各向异性水凝胶的设计方法（图1），所得这种各向异性水凝胶同时满足肌腱的高力学性能和肌腱与骨之间的特殊粘附界面。据称这是世界上首次对强、硬、各向异性水凝胶对骨骼有强附着力的研究论文报告，以“Bone-Adhesive Anisotropic Tough Hydrogel Mimicking Tendon Enthesis”为题发表在Advance Materials。

图1 各向异性水凝胶的设计方法

该研究提出了一种各向异性、刚性强的坚韧三网(TN)水凝胶，是由离子交联藻酸盐(Alg)、共价交联聚丙烯酰胺(PAM)和氨基丙基咪唑修饰的聚2-羟乙基天冬酰胺(PHEA-API)组成的，以模拟肌腱的独特特性。PHEA-API的咪唑基团通过多个氢键提供了TN水凝胶对玻璃和骨骼等基质具有高度粘附特性，而Alg/PAM双网络在拉伸时提供了耗能特性。由此产生的可拉伸韧性TN水凝胶对玻璃和骨骼具有极高的黏附性，不需要对基质进行任何化学修饰。此外，拉伸介导的骨黏附TN网络的线性重塑以及随后的二次交联(RsC)过程诱导了增强的肌腱样各向异性结构。该结构具有高模量(3.0 MPa)和强度(0.8 MPa)，同时保持与基底的高粘附性，包括玻璃(粘附能为16.7kJ m^-2，粘附强度为785kPa)和骨(2.73kJ m^-2和725kPa)，尽管附着的水凝胶显著加强，这让人联想到肌腱到骨骼的整合。最后，研究人员又评价了韧性黏附水凝胶在体内的生物相容性，将盘状TN和TN-RsC水凝胶皮下植入左侧3天和7天后分别采集小鼠的侧翼和着床部位的皮肤组织进行进一步分析，发现H&E染色的皮肤组织显示，TN和TN- RsC水凝胶在水凝胶植入体附近没有引发任何炎症反应。这种新方法提供了一种前所未有的水凝胶来模拟天然肌腱及其与骨骼的界面，这可能在生物医学中很有用。
该技术提出的方法制备的水凝胶提供了强大的各向异性力学性能，还提高了对玻璃和骨骼的粘附性。经过RsC过程TN水凝胶在拉伸、弯曲和扭转时表现出高度强大和稳定的骨粘连，没有凝胶伸长或损伤，这让人联想到肌腱的本质。另外，应用RsC工艺后，凝胶的最大粘附强度显著提高，这可能是由于水凝胶在保持与骨粘附的同时，增强了水凝胶的内聚性能。RsC处理的TN水凝胶附着在骨上的各向异性聚合物网络结构是该策略模拟天然肌腱和韧带各向异性性质的另一个特点。尽管还需要进一步的研究，但本研究提出的构建新型水凝胶的策略可以为基于水凝胶的仿生和组织工程提供新的信息。

（AMSC ＆ QYIM HMN 编报）

第七届（世界）非金属矿科技和产业论坛
(暨中国矿物岩石地球化学学会第十届矿物物理矿物结构专业委员会 2023年会）

主题：科技塑造非金属矿产业发展新动能新优势

The 7th World Forum on Industrial Minerals (WFIM-6)

安徽省池州市青阳县

Qing Yang (Jiu Hua Shan), Chi Zhou City, China

日期：2023年10月21日（星期六）至24日（星期二）

October 21-24, 2023

会议语言：中/英语

论坛主席
冯拥军 (北京化工大学)
论坛副主席
冯培忠 (中国矿业大学)
......
周春晖 (浙江工业大学)