材料与物理学院陈凯副教授在人工关节材料仿生设计方面取得系列进展

发布者:杨笑宇发布时间:2021-11-10浏览次数:10


据统计,我国每年需要人工关节置换的患者超过了200万例,但人工关节摩擦界面为硬-硬或硬-软摩擦形式,容易发生磨损而失效,大大降低了人工关节的使用寿命。因此,亟需突破人工关节使用寿命短、翻修率过高的科学瓶颈。基于人体天然软骨的有序取向、多层梯度、软骨/骨一体化结构,仿生设计高承载、超润滑、耐磨损的人工软骨材料,仿生制造高可靠性、长寿命的软-软摩擦人工关节,替代硬-硬或硬-软摩擦人工关节,可解决人工关节磨损问题。近期,我校材料与物理学院陈凯副教授/张德坤教授团队在该领域取得了新的研究进展。

受到人体天然软骨结构的启发,该团队采用磁诱导、冷冻-解冻、退火等技术构建了兼具高强度、低摩擦的各向异性水凝胶仿生软骨材料。该水凝胶仿生软骨材料显示出各向异性的微观结构,并表现出优异的力学性能,拉伸强度为10.65 MPa,韧性为52.2 MJ/m3,压缩强度为4.86 MPa,高于其他的各向同性水凝胶以及大多数报道的水凝胶材料。更有趣的是,由于有序结构的存在,水凝胶仿生软骨材料的摩擦系数显著降低至0.038,接近于天然软骨的摩擦系数(0.001-0.04)。该研究结果为研发高可靠性、长寿命的软-软摩擦人工关节提供了基础材料。相关研究成果“Anisotropic Hydrogels with Enhanced Mechanical and Tribological Performance by Magnetically Oriented Nanohybrids”已发表在国际期刊Chemical Engineering JournalJCR一区,中科院TOP期刊)。

基于人体天然关节软骨的分层结构及天然关节软骨/骨一体化结构,利用PVA/HA复合水凝胶和PVA/HA/PAA复合水凝胶制备了多层仿生软骨材料,随后将多层仿生软骨材料接枝在经氧化酯化的超高分子量聚乙烯上构建了仿生软/硬一体化材料。该仿生软/硬一体化材料表现出分层结构和高强度、低摩擦的优异性能,成功的模拟了软骨/骨的层次结构和功能,为软/硬一体化人工关节的仿生设计及制造提供了新思路。上述研究成果形成题为“Fabrication and Characterization of a Multilayer Hydrogel as a Candidate for Artificial Cartilage”的论文发表在国际期刊ACS Applied Polymer MaterialsJCR一区)。

为改善人工关节假体与骨界面的固定效果,防止术后感染,该团队设计了一种新型抗菌水凝胶涂层作为人工关节假体的生物固定界面。以抗菌壳聚糖(CS)和明胶(GT)为生物墨水,采用3D打印技术在钛合金基体上打印出具有网状多孔结构的CS-GT水凝胶涂层。3D打印CS-GT抗菌水凝胶涂层具有双尺度多孔网络结构、良好的亲水性和生物相容性,为细胞粘附和骨生长提供了理想的微环境,促进了骨界面与人工关节假体之间的快速固定。该技术为生物固定界面在人工关节置换术中的应用开辟了新的可能性。该研究成果“3D printed chitosan-gelatine hydrogel coating on titanium alloy surface as biological fixation interface of artificial joint prosthesis”已发表在国际期刊International Journal of Biological MacromoleculesJCR一区,中科院TOP期刊)。上述论文均以中国矿业大学为第一单位,陈凯副教授、张德坤教授为共同通讯作者。

上述研究工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。


磁诱导高强度各向异性水凝胶仿生软骨材料的构建及性能研究

多层梯度软/硬一体化人工关节软骨材料的仿生设计

3D打印抗感染、促骨生长水凝胶涂层作为人工关节假体的生物固定界面