周贵寅副教授课题组《Journal of Colloid and Interface Science》：设计一种用于仿生关节软骨替代物的坚固、低膨胀和脂质润滑的水凝胶

在关节日常运动中，关节软骨在承受载荷、分散应力、减少冲击和摩擦以及吸收振动方面发挥着重要作用。然而，关节软骨由于不断的机械磨损和生理退化，会导致骨关节炎等疾病，而且软骨周围几乎没有血管与组织，损伤后难以自愈，因此软骨替换成为有效的治疗手段。软骨替代物需要满足以下条件：（i）承受人体和支持日常运动的良好力学性能；（ii）可进行细胞培养的优异生物相容性；（iii）减少对周围细胞和组织的潜在损伤的低摩擦。但是，近些年的关节软骨替代材料与关节的界面接触应力集中，表面润滑不良，会造成严重的磨损和关节退变，限制了其在人工关节置换中的应用。水凝胶作为一种亲水的生物相容性聚合物网络，具备柔软的弹性和水化特性等特点，是很有潜力的关节软骨替代材料。然而，传统水凝胶难以模拟天然软骨的高刚度、可压缩性、能量耗散和快速恢复能力。通常会在高载荷条件下引起严重的弹性变形，从而导致承载能力和表面润滑性能的恶化。因此，实现高承载与低摩擦的有效统一对仿生软骨水凝胶材料的开发具有重要的现实意义。

2022年8月27日，湖南工业大学生命科学与化学学院周贵寅课题组在《胶体和界面科学杂志》(Journal of Colloid and Interface Science) 杂志在线发表了题为“一种用于仿生关节软骨替代物的坚固、低膨胀和脂质润滑的水凝胶（A robust, low swelling, and lipid-lubricated hydrogel for bionic articular cartilage substitute）”的研究论文。研究人员在去离子水中加入脂质体 DMPC，通过 35℃的水浴超声 15 min 制备得到浓度为 45 mol/L 多层囊泡脂质体（DMPC-MLVs）分散液。如图 1 所示，单体 HEMA 和 DMAA 的总摩尔质量（M）为 33 mmol，光引发剂 Irgacure 2959 的浓度为总单体的 0.6 mol%，而 HEMA 和 DMAA 的摩尔分数比在 2 和 4 之间变化。当 HEMA:DMAA=3 时，首先将 HEMA（3.355g，24.75 mmol）和 DMAA（0.835 g，8.25 mmol）在 1.00 mL 的 DMPC-MLVs 分散液中混合，在磁力搅拌器上搅拌到完全溶解 。随后，将 Irgacure2959（45 mg）加入混合溶液中，继续搅拌 10 min 得到完全均匀和透明的溶液，并将该溶液吸入容积为 5 mL 的塑料注射器中，注入模具中。最后在 25 ± 2℃的温度下，通过 365 nm 的紫外光照射聚合 2 h 得到聚甲基丙烯酸羟乙酯-共聚-N,N-二甲基丙烯酰胺（p(HEMA-co-DMAA)）含脂水凝胶。以去离子水取代脂质体分散液，在同样的条件下合成 p(HEMA-co-DMAA)水凝胶，作为含脂水凝胶的空白对照组。

图1. p(HEMA-co-DMAA)水凝胶的制备

图2. p(HEMA-co-DMAA)水凝胶的表征

图3. p(HEMA-co-DMAA)水凝胶的机械性能

图4. p(HEMA-co-DMAA)水凝胶的流变和溶胀性能

图5. p(HEMA-co-DMAA)水凝胶的润滑性能

本研究设计的含脂润滑水凝胶表现出优异的力学性能、杰出的水化润滑性能、稳定的抗肿胀性能和良好的生物相容性。含脂水凝胶在高载荷下抵抗变形的能力（50%应变下抗压强度和抗压模量分别为 5.8 MPa 和 4.7 MPa）归因于内部分子网络的氢键相互作用，提供了高压缩切线模量。同时，可逆的物理交联使水凝胶能够实现网络的重建，使得水凝胶在小应变的反复外力作用下表现出快速的自恢复和良好的抗疲劳能力，在加卸载后短时间内可恢复原始力学性能 98%以上。此外，与传统的水凝胶润滑方式相比，脂质润滑的水凝胶通过边界水化润滑，摩擦系数显著降低，相比于比未添加脂质的水凝胶小 5.3 倍。未来有期望这种生物相容性和高强度的含脂润滑水凝胶能够应用于关节软骨的替代物，并希望进行进一步的临床研究。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979722015235