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《先进材料》基于凯芙拉纳米纤维的人造软骨
时间:2017-11-20 10:11:56来源:高分子科学前沿
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提要:据统计,全球每年有数以百万计的病人因为关节软骨病变而不得不接受全关节置换手术。人工软骨材料的研发在生物医学方面具有重大的意义。
《先进材料》基于凯芙拉纳米纤维的人造软骨

生物软组织具有许多人工合成材料难以实现的独特性质。以关节软骨为例,这种天然材料含有高达80%的水份,为细胞的生长提供了适合的环境。与此同时,其具有极高的刚度和韧性,使其能够承受人体关节中严酷的力学载荷。如何利用人工合成材料模拟天然软骨的独特性质一直是材料科学与工程领域的前沿课题。据统计,全球每年有数以百万计的病人因为关节软骨病变而不得不接受全关节置换手术。人工软骨材料的研发在生物医学方面具有重大的意义。

水凝胶是一种吸收了大量水分的高分子网络体系,其被视为天然软组织的潜在替代材料。然而,通常的水凝胶材料过于柔软和脆弱,难以实现与关节软骨相似的力学行为。最近,由密歇根大学Nicholas Kotov教授和徐立之博士领导的研究小组和江南大学胥传来教授等合作发明了一种基于凯芙拉纳米纤维(ANF)和聚乙烯醇(PVA)的仿生水凝胶。该材料模仿了天然软组织中胶原蛋白纤维-蛋白聚糖的网络结构以及纳米材料间相互作用,使其具有与关节软骨相似甚至更高的水含量和力学性质。在含有70%-92%的水份的同时,其拉伸模量、断裂伸长率、压缩强度分别可达9.1MPa、325%、26MPa。其断裂韧性甚至高达9200J/m2,相当于关节软骨的10倍。

由于ANF和PVA之间的氢键作用,这种纳米纤维网络可以在应力的作用下重构,在承受宏观变形的同时实现有效的载荷传递和能量耗散。该材料在微观尺度上重现了天然生物结构材料中特有的基于刚性-柔性组元间相互作用的力学设计。这种巧妙的设计使得ANF-PVA水凝胶与珍珠母、软骨、韧带、肌腱等天然材料相似,实现了高刚度和高韧性这一对看似相互冲突的力学性质的完美结合。

在具有优越力学性能的同时,ANF-PVA的多孔网络结构有利于物质输运,使其在生物组织工程、电化学能源技术、环境工程等领域有着广泛的应用前景。研究小组和江南大学胥传来教授以及赵雪利博士合作,证明了ANF-PVA水凝胶具有良好的生物相容性,将致力于发展其成为成为下一代可植入生物医学器件以及其他技术应用中的关键材料。

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先进材料 纳米纤维 人造软骨 千人计划 千人智库

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