水凝胶与骨的紧密结合

日本北海道大学的龚剑萍教授课题组利用水凝胶的渗透性质、羟基磷灰石（HAp）的骨传导性和骨组织的动态特性，把表面沉积有HAp的双网络水凝胶（HAp/DN凝胶）植入到有缺陷的骨组织中，成功实验了水凝胶与骨组织的紧密结合...





人体除了牙齿、指甲和骨骼外，其他都是由软组织组成。一些受力的软组织如软骨、筋、韧带、肌肉等，虽然含有30~80%的水份，却表现出诸多非常优异的机械性能，如坚韧、抗冲击、低摩擦等。水凝胶是由亲水性聚合物构成的高分子网络，它可以吸附大量的水，且吸附、脱附、渗透等性质，这些特性与生物体软组织有很多相似性。然而，普通化学交联的水凝胶软而弱，强度低、形变小限制了它在受力软组织的修复和替代领域的应用。近十几年来，高强度水凝胶的设计、制备和性能研究都取得了长足发展，一系列新颖结构和高机械性能的水凝胶已经被开发出来。然而，水凝胶在固体表面的摩擦系数低，通常难以黏附在固体表面上。作为软骨修复和替代材料，高强度水凝胶与骨组织的紧密结合是水凝胶应用的难题之一。

最近，日本北海道大学的龚剑萍教授课题组利用水凝胶的渗透性质、羟基磷灰石（HAp）的骨传导性和骨组织的动态特性，把表面沉积有HAp的双网络水凝胶（HAp/DN凝胶）植入到有缺陷的骨组织中，成功实验了水凝胶与骨组织的紧密结合。经过原位矿化4周后，HAp/DN凝胶可以与骨组织形成非常紧密的结合，其结合强度达到约40 N，远远高于没有HAp修饰的DN凝胶（< 5 N）（图1D）。通过染色处理和红外光谱分析可以得知，在原位矿化过程中，胶原大分子渗透到了HAp/DN凝胶中，而在植入的DN凝胶中则相对较少（图1E）。研究发现，胶原/HAp/DN凝胶的压缩强度（~11.25 MPa）也高于胶原/DN凝胶（~0.68 MPa）和胶HAp/DN凝胶（~1.04 MPa），结果表明胶原渗透到DN凝胶中，并增强了凝胶的机械性能。



图1.HAp/DN凝胶植入实验（A和B）、结合强度分析（C和D）、染色实验（E）和红外光谱分析（F）

通过场发射投射电子显微镜可以进一步解析HAp纳米粒子在植入前后的变化。如图2所示，在植入前，HAp/DN凝胶表面基本被HAp纳米粒子所覆盖，凝胶从表面到内部，HAp纳米粒子逐渐减少。植入后，HAp/DN凝胶与骨组织界面模糊，从凝胶内部到骨组织，HAp纳米粒子呈现梯度分布，并且相对植入前在凝胶内部可以发现更多的HAp纳米粒子，表明HAp纳米粒子的骨诱导性在形成凝胶与骨的紧密结合中起到重要作用。该策略由于简单易行、凝胶与骨组织的结合力强，也不依赖于凝胶的网络化学结构，使其有可能加速推进高强度水凝胶应用于软骨修复和替代领域。

摘要速递:

Double-Network Hydrogels Strongly Bondable to Bones by 

Spontneous Osteogenesis Penetration

Adv.Mater. 2016,DOI: 10.1002/adma.201601030

17 May 2016

Implanting hydroxyapatite-mineralized toughhydrogel into osteochondral defects of rabbits,osteogenesis spontaneously penetrates into the gel matrix owing to thesemi-permeablility of the hydrogel. The gradient layer (around 40 μm thick)contributes quite strong bonding of the gel to bone. This is the first successin realizing the robust osteointegration of tough hydrogels, and the method issimple and feasible for practical use.

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