关节软骨润滑机制理论及仿生软骨材料的摩擦学应用

背景:关节软骨拥有着自然界中已知最有效的润滑,如膝关节和髋关节等,在生理性高压下,其表面摩擦系数低至0.001,如此低的摩擦对于关节正常活动来说非常必要。而软骨一旦发生退化,便易发生骨关节炎,因此探究软骨表面如此高效的润滑机制便显得尤为重要。同时,随着对关节润滑机制研究的深入,仿生软骨材料的飞速发展也为关节软骨之间的润滑及软骨损伤后的治疗带来了希望。目的:探讨关节软骨润滑机制以及仿生软骨材料摩擦学最新研究进展。方法:采用计算机检索中国知网、PubMed、Semantic Scholar、ScienceDirect和Wiley Online Library数据库中有关关节软骨润滑机制和仿生软骨材料的相关研究资料,根据纳入和排除标准,最终共选取60篇文献进行综述。结果与结论:①关节软骨的润滑并不是通过单一的机制,而是多种机制共同参与并实现高效润滑。②目前软骨润滑机制的主要研究聚焦于边界润滑以及水合润滑。③软骨润滑的边界润滑机制模型主要通过透明质酸、润滑素和磷酸酰胆碱等边界分子实现。④软骨间多重分子通过协同作用促进软骨润滑,这也为仿生软骨材料的设计提供了一种新思路。⑤用于软骨替代的仿生软骨材料必须具备优异的力学性能与润滑性能,目前的仿生软骨材料通过表面改性和添加涂层等方式综合提升生物医学水凝胶的润滑性能与机械性能,以应用于软骨润滑。⑥仿生软骨材料不仅发挥润滑方面的作用,同时也能作为释药载体达到递送药物的目的,这也为未来更优异的材料设计提供了思路,但目前的仿生软骨材料大多还处在体外实验或者动物模型研究阶段,尚未形成临床转化。

人工关节仿生软骨层制备及生物摩擦学性能研究进展

论述了传统硬质人工关节材料表面仿生软骨层的制备技术及其对生物摩擦学性能的影响。并对目前人工关节表面仿生软骨层的制备技术存在的难点及今后的重点研究方向进行了综合评述。结果表明,人工关节表面仿生软骨层不仅能够有效改善传统硬质人工关节表面的润滑性能、降低人工关节的磨损率,还可提高材料抗生理冲击载荷能力,最终延长人工关节的使用寿命。

人工关节与仿生软骨材料的表面改性及其摩擦学研究进展

对患有严重关节疾病的患者进行人工关节置换手术,是临床上有效的治疗方案。现有的人工关节及仿生软骨制作材料主要以金属、陶瓷、聚合物材料及强韧水凝胶等为主,然而在苛刻的关节负载摩擦剪切环境下,上述材料均面临着一个共性技术问题——表面磨损严重,进而影响其使用寿命。因此,利用表面改性技术和仿生学材料设计理念,制备具有“低摩擦-高承载-长耐磨”功能一体化的新型人工关节具有重要的实际意义和工程价值。首先总结了金属、陶瓷、聚合物基硬质人工关节材料的研究和发展历程,并阐述了不同表面改性技术在提升硬质人工关节材料表面润滑和抗磨性能方面的优势。进一步,详细介绍了近年来以水凝胶基材料为代表的新型仿生关节软骨润滑材料的最新研究进展,具体包括高性能本体水凝胶与水凝胶软骨材料的表面改性,从承载和抗磨角度,强调了仿生层状结构化水凝胶材料作为新型关节软骨替代物的潜在优势。此外,结合国际上生物润滑领域最新动态,系统概述了在天然骨组织和硬质人工关节材料表面键合水凝胶润滑涂层这一新兴研究方向。最后,从材料仿生学设计和表面水润滑改性两方面,提出了新型人工关节材料未来的研究重点和发展方向。

自体释氧纳米仿生支架复合软骨细胞构建颞颌关节

背景:将自体释氧纳米仿生支架复合软骨细胞在模拟微重力下复合培养构建的活性组织工程骨,不仅具有优良成骨的潜在特性,而且具有自体释氧功能,能有效防止早期血管化不足缺氧导致的移植失败。目的:观察自体释氧纳米仿生支架复合软骨细胞修复不同类型颞颌关节髁状突骨折的效果。方法:将30只SD大鼠随机分为3组,每组10只,其中1组为正常对照,实验1组建立颞颌关节髁状突纵行骨折模型,植入自体释氧纳米羟基磷灰石/壳聚糖支架与软骨细胞;实验2组建立颞颌关节髁状突横断骨折模型,植入自体释氧纳米羟基磷灰石/壳聚糖支架与软骨细胞。植入后1,3,6周,采用免疫荧光法检测增殖细胞核抗原阳性细胞数,使用TUNEL法检测软骨细胞凋亡情况,采用RT-PCR方法检查软骨内成骨标志物Ⅱ型胶原、促软骨形成基因、血管内皮生长因子的表达。结果与结论:(1)实验1组、实验2组不同时间点的增殖细胞核抗原阳性细胞数高于正常对照组(P<0.05),植入后3,6周的软骨细胞凋亡数低于正常对照组(P<0.05),植入后3,6周的Ⅱ型胶原、促软骨形成基因、血管内皮生长因子表达高于正常对照组(P<0.05);(2)实验1组植入后3,6周的增殖细胞核抗原阳性细胞数低于实验2组(P<0.05),植入后3周的软骨细胞凋亡数低于实验2组(P<0.05),植入后3,6周的Ⅱ型胶原、促软骨形成基因、血管内皮生长因子表达高于实验2组(P<0.05);(3)结果表明:自体释氧纳米仿生支架复合软骨细胞修复不同类型颞颌关节髁状突骨折有着一定的差异性。

人工软骨仿生材料在引信缓冲中的应用

为了探索更高效率的缓冲材料,提高引信内部元件的可靠性,提出了将人工软骨仿生材料作为弹载缓冲材料,并使用马歇特锤试验装置,对人工软骨仿生材料垫片和传统缓冲垫片进行了测试。测试结果表明:人工软骨仿生材料具有很好的缓冲效果,在幅值约4万g,持续时间约100μs的加速度过载下,人工软骨仿生材料的缓冲效果比传统缓冲材料更好;随着厚度的增加,材料整体的缓冲能力增强,但单位厚度的材料体现的缓冲效果减弱。在多次重复试验时,人工软骨仿生材料的缓冲性能保持稳定,为引信内部缓冲材料的选择和设计提供一定的参考。

高强度、低摩擦脂质润滑水凝胶材料的构建及其摩擦行为研究

关节软骨是人体关节部位承担支撑、缓冲以及润滑的重要组织.随着年龄的增长、先天性疾病和创伤等因素,关节软骨会发生损伤及退化,最终会导致骨关节炎的发生,目前骨关节炎是世界上头号致残性疾病之一.然而,关节软骨周围几乎没有血管与神经组织,损伤后难以自愈.临床上,人工关节置换是治疗关节损伤最有效的方法之一,传统的人工关节材料主要为金属材料、陶瓷材料和高分子材料,接触方式主要为硬-硬接触和硬-软接触,植入人体后容易产生磨损,会产生异物反应最终导致松动失效.受到天然关节表面软骨有效减缓冲击和降低磨损的启发,解决人工关节材料磨损和松动等问题的首要任务是构建高性能的软骨替代材料.水凝胶类似于生物软组织兼具固液两相特性,具有天然软骨微观结构相似性、高含水率、优异的生物相容性和稳定的理化性能等特性,已发展成为关节软骨最佳的替代材料.然而传统水凝胶的润滑性能和机械性能较差,限制了其在人工关节软骨替代材料领域的应用.本文中基于关节软骨非流体以及脂质润滑的特性,以二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱(DMPC)脂质体为润滑相,将其引入PVA/PAA(聚乙烯醇/聚丙烯酸)水凝胶中,通过冷冻解冻和退火技术构建了具有优异机械强度和润滑性能的脂质体复合水凝胶.研究结果表明:脂质体复合水凝胶具有优异的机械强度(拉伸强度为10.4±1.2 MPa、拉伸模量为4.1±0.8 MPa、压缩强度9.5±1.0 MPa、压缩模量为8.2±0.9 MPa)和良好的抗疲劳性能(100循环压缩下其最大应力也能保留首次循环应力的93%).此外,脂质体复合水凝胶表面存在脂质囊泡小球,显著降低了水凝胶的摩擦系数(0.049),并且在很宽滑动速度和法向载荷下具有良好的润滑性能.润滑性能的增强主要是由于水凝胶中的脂质在载荷的作用下暴露在凝胶表面,随着时间的延长润滑脂就会扩散到整个水凝胶接触区域,形成脂质边界层通过水合润滑机制降低了摩擦.因此,本研究中为构建高强度以及低摩擦仿软骨材料开辟了1条新途径,为软骨置换和人工关节提供潜在的应用.

PVA/HA复合双层水凝胶的制备及性能研究

以聚乙烯醇(PVA)、羟基磷灰石(HA)为原料,利用铸造干燥法与冷冻解冻法制备双层仿生软骨,并进行力学性能测试。结果表明:PVA/HA复合双层水凝胶力学性能优于PVA/HA复合水凝胶。利用铸造干燥法,PVA与HA间的交联结合将更加完善,力学性能得到提升。最优的PVA/HA复合双层水凝胶是采用铸造干燥法用PVA浓度为12%的溶液所制备出的双层水凝胶,其压缩弹性模量为(1.29±0.025)MPa,900s时应力松弛达到(60.14±0.64)%,最大形变和永久形变为(246.3±3.05)μm和(69.8±2.96)μm。

PVA水凝胶仿生人工软骨/骨复合植入体的制备与力学性能研究

针对目前人工软骨假体无生物活性,与软骨下骨结合性能差、易松动等问题,设计和制备一种聚乙烯醇（PVA）-生物活性玻璃（BG）水凝胶人工软骨/骨复合植入体,探讨制备的工艺条件对复合植入体力学性能的影响;研究压缩应变速率、BG含量及PVA水凝胶厚度对复合植入体压缩性能的影响;分析松质骨孔径大小、PVA和BG含量对人工软骨与骨界面剪切强度的影响,并用扫描电镜对界面微观形貌进行了观察。结果表明：随着BG含量、PVA含量以及凝胶厚度的增加,复合植入体的压缩模量也相应增加;松质骨孔径对复合植入体的压缩模量和结合强度均有影响。复合植入体的压缩弹性模量为1.6~2.23 MPa,界面结合处的剪切强度为0.63~1.21 MPa,复合水凝胶与松质骨界面端连接牢固。