科學家打造新型水凝膠材料,耐用性可與人體膝蓋軟骨相比擬

作者 | 發布日期 2020 年 07 月 06 日 20:47 | 分類 生物科技 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


人體膝蓋的軟骨是相當神奇的東西,堅固的足以承受人的體重的同時,又柔軟的能使關節免受衝擊,長久以來,科學家們一直在尋找能用來取代的人工替代品,在漫長的尋覓及測試後,杜克大學團隊認為它們已經成功找到了。

人體自然軟骨十分神奇,能夠承受人在行走時每一步所帶來的 2-3 倍體重力道,但軟骨的自我修復能力相當有限,一旦過度使用或遭遇創傷,隨著年齡增長將越來越難以治療。

光是美國,每年就有 80 萬例膝關節置換手術,更別提全世界範圍的需求,由於膝關節置換也僅能維持約 20 年的時間,自 1970 年以來,人們就一直在探索人工軟骨的替代品。

《高級功能材料》(Advanced Functional Materials)的最新論文中,杜克大學材料科學家 Ben Wiley 介紹了團隊所開發出的最新水凝膠材料,能夠像自然軟骨一樣承受拉力、重載等外力,卻不會隨時間流逝而磨損。

水凝膠是一種常見的材料,具有光滑、減震的特性,但由於承重力不足,過去被認為無法被用於膝蓋等關節上,但透過調整水凝膠的材質,杜克團隊成功打造出第一個具有軟骨機械特性的新型水凝膠。

團隊打造的新型水凝膠主要由兩種吸水聚合物交織組成,一個為可拉伸的義大利麵條狀線體,另一個則是更為堅固帶有負電荷的籃子狀結構,由纖維素製成的第 3 種聚合物則負責將所有成分固定在一起。

在拉伸、擠壓兩個關鍵類別中,新型水凝膠都比其他現有水凝膠展現出更好的性能,也是唯一在擠壓、拉伸下都具有軟骨強度的材料。

在一個 10 萬次重複拉動的測試中,新型水凝膠的表現就像用於骨骼植入物的多孔鈦材料一樣良好,而在與天然軟骨共同進行的百萬次摩擦測試中,水凝膠展現出與真實軟骨一樣的耐磨性,甚至比現在已經通過 FDA 批准用於腳大拇指手術的人造軟骨耐用度更高上 4 倍。

但研究人員也提醒,由於團隊目前僅在實驗室培養的細胞上測試了水凝膠的無毒性,還得經過動物實驗的關卡,新型水凝膠要獲准在人體上使用可能還需要 3 年的時間,研究仍有很長的路要走。

儘管如此,這種新材料的前景仍十分樂觀,對於那些長久遭受膝蓋疼痛困擾的人來說也將是一大福音。也許有一天,不需再經歷漫長的復健期或再次置換,關節能夠恢復到原本完整的運作狀態,讓人們能再次重拾自己喜歡做的事。

(首圖為基於凝膠製成的合成軟骨,來源:杜克大學