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实验室发现第一个可以模拟膝盖的软骨模拟凝胶

导读北卡罗莱纳州达勒姆——膝关节骨之间又细又滑的软骨是一种神奇的东西:经过几十年的反复使用,它足够结实,可以承受人的重量,但又足够柔软

北卡罗莱纳州达勒姆——膝关节骨之间又细又滑的软骨是一种神奇的东西:经过几十年的反复使用,它足够结实,可以承受人的重量,但又足够柔软,可以缓解关节冲击。软硬结合很难在实验室复制。然而,现在杜克大学的研究人员说,他们已经创造了一种实验凝胶,这是第一种与真实物体的强度和耐用性相匹配的凝胶。

这种材料看起来像果冻的远房表亲——的确如此——但它的强度非常高。它的含水量是60%,但是一个四分之一大小的圆盘可以承受一个100磅重的壶铃的重量而不会撕裂或变形。

它的开发人员说,这是第一种水凝胶——一种由吸水聚合物制成的材料——能够承受拉力和重负荷以及人体软骨的影响,而不会随着时间的推移而磨损。

在化学和材料科学家、杜克大学的本威利(Ben Willy)和肯盖尔(Ken Gail)的领导下,这项研究有朝一日将为膝关节疾病患者提供软骨损伤的替代品,以及美国每年60万例膝关节置换的替代品。

光滑的橡胶组织覆盖在骨头的末端,这样它们就可以彼此平滑地滑动。软骨在每一步都会吸收大量的力量——通常是你体重的2到3倍。

然而,软骨的自愈和自修复能力也非常有限。杜克大学机械工程和材料科学教授加尔说,一旦磨损,就很难用年龄、过度使用或创伤来治疗。

人工软骨可以帮助想要避免或推迟只能持续20年的膝关节置换的患者。自20世纪70年代以来,人们一直在探索水凝胶作为软骨替代品的用途,并将其用于软性隐形眼镜和一次性尿布。这些材料具有光滑、减震、不损伤附近细胞的特点,因而受到研究者的关注。但直到现在,它们被证明太弱,不能用于膝盖等承重关节。

公爵着手改变这一点。杜克大学化学教授威利说,“我们着手制造第一种具有软骨机械特性的水凝胶。”

这种新型水凝胶由两个相互缠绕的聚合物网络组成:一个由可拉伸的面条状线制成,另一个由刚性的篮状结构制成,并沿其长度方向带有负电荷。用这些第三组分纤维素纤维网增强。

当凝胶被拉伸时,纤维素纤维可以拉伸并帮助将材料固定在一起。当它被挤压时,沿着刚性聚合物链的负电荷相互排斥并粘附在水中,从而帮助它反弹回原来的形状。

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