基于凯芙拉纳米纤维的人造软骨问世

基于凯芙拉纳米纤维的人造软骨问世

虽然水凝胶被视为天然软组织的潜在替代材料，但由于其过于柔软和脆弱，难以实现与关节软骨相似的力学行为。近日，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%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。ANF-PVA水凝胶还具有良好的生物相容性，有望应用于下一代可植入生物医学器件以及其他技术中。

（摘编自高分子科学前沿）