西北師范大學(xué)/蘭州化物所Angew：新型仿生水凝膠材料，有望實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軟骨長(zhǎng)效修復(fù)

關(guān)節(jié)軟骨損傷是臨床醫(yī)學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)，由于其自身缺乏血管和神經(jīng)，自我修復(fù)能力極為有限，開發(fā)能夠同時(shí)模擬天然軟骨高承載能力和超低摩擦性能的人工替代材料成為生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)水凝膠材料雖然具有良好的生物相容性和親水性，但其高含水率導(dǎo)致的力學(xué)性能不足，使其難以承受長(zhǎng)期高負(fù)荷接觸應(yīng)力和摩擦循環(huán)，如何在單一材料體系中實(shí)現(xiàn)高承載、超潤(rùn)滑和長(zhǎng)壽命的協(xié)同，一直是該領(lǐng)域亟待突破的瓶頸。

近日，西北師范大學(xué)魏強(qiáng)兵副教授、徐蓉年博士與中科院蘭州化學(xué)物理研究所麻拴紅研究員合作，受天然關(guān)節(jié)軟骨雙層梯度結(jié)構(gòu)啟發(fā)，開發(fā)了一種基于微量亞表面引發(fā)聚合的仿生軟骨層狀水凝膠材料。該策略巧妙利用零價(jià)銅介導(dǎo)的表面引發(fā)可控自由基聚合技術(shù)，僅在微升級(jí)單體溶液和開放環(huán)境條件下，即可在力學(xué)性能優(yōu)異的PVA基水凝膠基質(zhì)中接枝聚合物刷，構(gòu)建出具有“高承載基底層+超潤(rùn)滑復(fù)合層”的仿生結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該材料在10牛頓負(fù)載下連續(xù)摩擦8萬(wàn)次，摩擦系數(shù)仍穩(wěn)定在約0.017的超低水平，且無(wú)明顯磨損，在模擬炎癥微環(huán)境等復(fù)雜生理?xiàng)l件下也表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑穩(wěn)定性。相關(guān)論文以“Enhancing Superlubricity and Wear Resistance in Mechanically Robust Hydrogel via Microliter-Scale Subsurface-Initiated Polymer Brush Grafting”為題，發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。

圖1 | 仿生軟骨層狀水凝膠的設(shè)計(jì)概念。（a）天然關(guān)節(jié)軟骨系統(tǒng)及其雙相結(jié)構(gòu)示意圖。（b）APTF-g-PB層狀水凝膠的制備流程示意圖。（c）傳統(tǒng)SI-ATRP與SI-Cu0CRP技術(shù)的對(duì)比，突顯微量亞表面引發(fā)聚合物刷接枝的優(yōu)勢(shì)。

研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)并優(yōu)化了具有亞表面引發(fā)活性的APTF水凝膠基質(zhì)。該水凝膠通過(guò)引入單寧酸衍生的ATRP引發(fā)劑，結(jié)合凍融循環(huán)與退火處理，構(gòu)建了基于多重氫鍵和配位作用的物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。微觀結(jié)構(gòu)表征顯示，APTF水凝膠形成了致密的結(jié)晶域網(wǎng)絡(luò)，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)13.8 MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)20.0 MPa，能夠承受超過(guò)150公斤的負(fù)載（圖2）。與普通PVA水凝膠相比，APTF水凝膠的溶脹率顯著降低，質(zhì)量溶脹率僅為6.9%，表現(xiàn)出優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。進(jìn)一步的廣角X射線散射分析證實(shí)，退火處理促進(jìn)了PVA鏈的有序排列，平均晶區(qū)尺寸從3納米增加至4.9納米，為材料的高力學(xué)性能提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（圖3）。

圖2 | APTF水凝膠基體的機(jī)械性能優(yōu)化。（a, b）PVA、PTF-25和APTF-25水凝膠的拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（插圖為APTF-25水凝膠可提起5 kg重物）。（c）PVA和APTF-25水凝膠的壓縮測(cè)試光學(xué)圖像。不同溴代異丁?；〈鹊腁PTF-x水凝膠的拉伸（d）和壓縮（e）應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（f）PVA、PTF-25、APTF-25、APTF-50和APTF-80水凝膠的綜合機(jī)械性能比較。（g）APTF-25水凝膠連續(xù)60次加載-卸載循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（h）APTF-25水凝膠在60次循環(huán)中的最大拉伸應(yīng)力和殘余應(yīng)變。（i）PVA和APTF-25水凝膠的質(zhì)量溶脹比。

圖3 | APTF-25水凝膠的結(jié)構(gòu)表征。（a）PVA水凝膠的表面（a1）和截面（a2）SEM圖像。（b）APTF-25水凝膠的表面（b1）和截面（b2）SEM圖像。PVA和APTF-25水凝膠的FTIR光譜（c）和XRD圖譜（d）。（e, f）PVA和APTF-25水凝膠的二維廣角X射線散射圖譜。（g）PVA和APTF-25水凝膠的一維WAXS強(qiáng)度分布。（h）APTF-25水凝膠內(nèi)部交聯(lián)和晶域演化示意圖。

在成功構(gòu)建高承載基質(zhì)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用SI-Cu?CRP技術(shù)在APTF水凝膠亞表面接枝了不同電荷性質(zhì)的親水性聚合物刷（圖4）。得益于該聚合方法的耐氧性和微量反應(yīng)優(yōu)勢(shì)，聚合物刷-水凝膠復(fù)合潤(rùn)滑層的厚度可通過(guò)調(diào)控聚合時(shí)間從12微米增加至100微米，且與基底形成了無(wú)縫的界面互穿結(jié)構(gòu)。XPS能譜和紅外光譜證實(shí)了聚電解質(zhì)刷的成功接枝，水接觸角測(cè)試顯示表面親水性從81°顯著提升至11°，為形成穩(wěn)定的水合潤(rùn)滑層創(chuàng)造了條件。值得注意的是，該方法避免了傳統(tǒng)ATRP工藝中水凝膠整體浸泡對(duì)力學(xué)性能的損害，接枝后的APTF-g-PB水凝膠仍保持了優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度和抗疲勞性能（圖5）。

圖4 | APTF-g-PB層狀水凝膠的制備與結(jié)構(gòu)表征。（a）SI-Cu0CRP聚合物刷接枝示意圖及PSPMA、PSBMA、PMETAC的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（b）不同聚合時(shí)間APTF-g-PSPMA水凝膠的表面和截面SEM圖像：1 h（b1）、2 h（b2）、3 h（b3）和4 h（b4）。（c）對(duì)應(yīng)b4截面SEM圖像的S元素EDS分布圖。（d）APTF-g-PSPMA的S2p XPS譜圖。（e）PSPMA刷-水凝膠復(fù)合多孔層厚度隨聚合時(shí)間的變化。（f）不同聚合時(shí)間APTF-g-PSPMA的水接觸角。（g）APTF-g-PSBMA的表面（g1）和截面（g2）SEM圖像。（h）APTF-g-PMETAC的表面（h1）和截面（h2）SEM圖像。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n=3）。

圖5 | APTF-g-PB層狀水凝膠的機(jī)械性能評(píng)估。（a, b）不同聚合時(shí)間APTF-g-PSPMA水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相應(yīng)的彈性模量和韌性。（c, d）聚合4小時(shí)的APTF-g-PSPMA、APTF-g-PSBMA和APTF-g-PMETAC水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相應(yīng)的彈性模量和韌性。（e, f）APTF-g-PSPMA水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線及相應(yīng)的壓縮模量。（g）APTF-g-PSPMA水凝膠連續(xù)60次加載-卸載循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（h）APTF-g-PSPMA水凝膠在60次循環(huán)中的最大拉伸應(yīng)力和殘余應(yīng)變。（i）APTF-g-PSPMA、APTF-g-PSBMA和APTF-g-PMETAC水凝膠的質(zhì)量溶脹比。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示（n=3）。

摩擦學(xué)性能測(cè)試結(jié)果顯示，接枝PSPMA刷的APTF-g-PSPMA水凝膠潤(rùn)滑性能隨聚合時(shí)間延長(zhǎng)而提升，聚合4小時(shí)后摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.03左右（圖6）。在2 Hz頻率下，其摩擦系數(shù)可低至0.012，且在不同負(fù)載（1-10 N）、不同生理介質(zhì)（PBS、BSA溶液、生理鹽水）以及模擬炎癥微環(huán)境（pH 6.5、H?O?氧化應(yīng)激）中均能保持穩(wěn)定的低摩擦特性。在長(zhǎng)達(dá)8萬(wàn)次的連續(xù)摩擦測(cè)試中，該材料摩擦系數(shù)始終維持在約0.017，摩擦后表面形貌和化學(xué)組成基本保持不變，展現(xiàn)出卓越的耐磨性和潤(rùn)滑持久性。此外，將該水凝膠涂層應(yīng)用于鈦合金人工關(guān)節(jié)材料表面，其與雞指關(guān)節(jié)骨的摩擦測(cè)試顯示，在10 N負(fù)載下連續(xù)摩擦5萬(wàn)次，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在約0.01，界面附著力高達(dá)990 N/m，凸顯了其作為人工關(guān)節(jié)潤(rùn)滑涂層的巨大潛力。

圖6 | APTF-g-PB層狀水凝膠的潤(rùn)滑和耐磨性能。（a）APTF-g-PSPMA水凝膠在不同聚合時(shí)間、測(cè)試頻率、載荷和介質(zhì)中的平均COF，以及不同聚合物刷類型和模擬炎癥微環(huán)境中的COF。（b）APTF-g-PSPMA水凝膠在低和高接觸載荷下的潤(rùn)滑機(jī)理示意圖。（c）本工作與文獻(xiàn)報(bào)道的仿生軟骨水凝膠接觸應(yīng)力和COF對(duì)比。（d）APTF-g-PSPMA水凝膠在10 N載荷、5 Hz頻率下80,000次摩擦循環(huán)的COF曲線（插圖為摩擦測(cè)試后接觸區(qū)域的SEM圖像）。（e）APTF-g-PSPMA水凝膠涂層在鈦人工關(guān)節(jié)材料上的制備及與雞指關(guān)節(jié)骨對(duì)磨的摩擦測(cè)試示意圖。（f）APTF-g-PSPMA水凝膠涂層在鈦基底上的90°剝離測(cè)試interfacial adhesion force曲線。（g）APTF-g-PSPMA水凝膠涂層與裸鈦在10 N載荷下對(duì)雞指關(guān)節(jié)骨50,000次摩擦循環(huán)的COF對(duì)比。

這項(xiàng)工作的意義在于通過(guò)微量亞表面引發(fā)聚合策略，顯著降低了在水凝膠上構(gòu)建聚合物刷潤(rùn)滑層的技術(shù)門檻。所制備的層狀水凝膠不僅完美模擬了天然軟骨的“堅(jiān)韌骨架+潤(rùn)滑表層”的雙相結(jié)構(gòu)，更在超低摩擦、高承載、耐磨損和生物相容性等方面表現(xiàn)出協(xié)同優(yōu)勢(shì)。未來(lái)，這種兼具優(yōu)異綜合性能和良好生物相容性的仿生材料在關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)和人工關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。