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由于軟骨缺乏血管、神經、淋巴網絡和原始細胞等，很難實現自我修復，一旦損傷，通常需要通過外科手段進行替換。盡管有傳統療法，包括骨髓刺激、自體移植和基質誘導的自體軟骨細胞植入，但仍很難獲得與天然軟骨相似的再生軟骨。水凝膠作為適用于組織工程的支架材料之一，已得到科研工作者的廣泛關注。鑒于軟骨所處微環(huán)境和功能的特殊性，開發(fā)適用于軟骨組織工程的水凝膠需要具備優(yōu)異的生物相容性和一定的機械性能。因此，本期EFL為大家整理了軟骨組織工程所需水凝膠的性能評估方法供大家參考。

基于軟骨的特殊性，首先為大家?guī)砣嚓P的綜述作為背景，分別敘述了軟骨缺損的類型、軟骨潤滑能力的重要性以及用于軟骨功能化的水凝膠。

1軟骨修復的特殊性

1. 軟骨缺損的類型（Bioactive Materials 2021）通常，軟骨缺損可以根據缺損的深度分為三類:部分厚度缺損、全厚度缺損和骨軟骨缺損。此外，軟骨表面和骨軟骨組織之間的機械特性是不同的。采用具有層次結構的多層支架的方法可能更適合骨軟骨缺損修復。由于在缺損中觀察到的特征和組織的差異，用于修復的材料應該設計成適應不同種類的缺損。這篇綜述討論了用于軟骨缺損修復的水凝膠的原理，分析和總結了用于軟骨再生的不同水凝膠的特性和優(yōu)點，以指導未來的研究。

圖1 三種軟骨缺損的示意圖
參考資料：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2452199X20302504

2. 關節(jié)軟骨潤滑能力的重要性（Advanced Materials 2021）健康的關節(jié)軟骨是自然界已知的最有效潤滑的表面，在生理壓力下摩擦系數低至0.001。這種低摩擦確實對其健康至關重要，它能夠最大限度的減少磨損，從而最大限度地減少與骨關節(jié)炎（最常見的關節(jié)疾病）相關的軟骨退化，并通過減少機械傳導、軟骨嵌入軟骨細胞（軟骨中唯一的細胞類型）上的剪切應力，調節(jié)它們的功能以維持體內平衡。這篇綜述介紹了摩擦行為與軟骨中細胞機械環(huán)境之間的關系，然后回顧了關節(jié)中的潤滑機制，特別關注邊界潤滑。

圖2 軟骨的結構和成分
參考資料：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202005513

3. 用于關節(jié)軟骨組織工程的功能化水凝膠（Engineering 2022）關節(jié)軟骨是一種無血管且柔韌的結締組織，位于雙關節(jié)關節(jié)的骨表面。隨著軟骨組織工程的快速研發(fā)進展，功能化水凝膠因其良好的生物力學性能、含水量、膨脹能力、細胞相容性、生物降解性和潤滑行為而成為有前途的軟骨基質替代品。它們可以被合理設計和方便地調整以模擬軟骨的細胞外基質。本文簡要介紹了 關節(jié)軟骨的組成、結構和功能及其缺陷，全面回顧了用于軟骨修復的功能化水凝膠的精細（生物）設計和（生物）制造。

圖3 新興功能化水凝膠的策略及其優(yōu)勢
參考資料：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209580992200203X

2功能水凝膠促進軟骨修復的評價方法

1. 機械性能水凝膠作為一種新型生物材料，具有可控的力學性能和生物相容性，廣泛應用于骨組織工程中作為生長因子轉運和細胞黏附的支架材料。為了使水凝膠更適合軟骨的局部治療，水凝膠的機械性能是至關重要的參數之一。如圖4所示，該文對適用軟骨的水凝膠的機械性能作出了全面的評價，包括：楊氏模量、斷裂應力、斷裂應變、韌性和溶脹比。

圖4 水凝膠的機械特性
參考資料：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202001434

除此之外，還可以利用流變測試、抗疲勞性測試進一步對水凝膠的機械性能作出評價（圖5）。為了評估水凝膠的穩(wěn)定性，尤其是界面結合力，將水凝膠浸入PBS中以模擬內部環(huán)境，并在不同時間間隔監(jiān)測其流變特性。如圖5所示，水凝膠具有較高的界面結合力和模量（≈40 kPa）。此外，它可以維持其機械性能大約2周，對于維持軟骨的持續(xù)修復是有益的。
 

圖5 不同時期監(jiān)測水凝膠的流變性能
參考資料：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861721007694

軟骨在體內會經歷周期性應力，因此軟骨替代材料的抗疲勞特性是十分重要的評價指標。圖6顯示了水凝膠的循環(huán)拉伸測試結果，表明水凝膠在10萬個循環(huán)中表現出顯著的高疲勞強度，與中年成年人的軟骨疲勞強度相同。

圖6 抗疲勞測試
參考資料：https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

2. 摩擦和磨損性能人體關節(jié)軟骨具有優(yōu)異的耐磨性潤滑性能，而且非常低摩擦系數。在日常生活中，關節(jié)軟骨不斷地承受著不斷變化的摩擦力和載荷，尤其是在承擔人體大部分重量的腿部關節(jié)。因此，水凝膠的摩擦和磨損性能是非常重要的指標。
如圖6所示，為了評估水凝膠的潤滑性能，在相同條件下對水凝膠和對照組進行線性摩擦測試，通過對水凝膠的摩擦系數測試（圖7E,G）、磨損軌跡的明場圖像（圖7C）、水凝膠的磨損寬度分析（圖7D）、磨損水凝膠的SEM圖像（圖7I,J）等一系列測試表明水凝膠具有出色的潤滑性能。

圖7 水凝膠的潤滑性能
參考資料：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000780#sch1

水凝膠的耐磨性如圖8所示，其他水凝膠的最大磨損深度是BC–PVA–PAMPS水凝膠的2.6–4.4倍，BC-PVA-PAMPS的磨損深度甚至比豬軟骨小14%。這種優(yōu)異的耐磨性歸因于BC-PVA-PAMPS水凝膠的低COF、高模量和高強度。

圖8 耐磨性測試
參考資料：https://doi.org/10.1002/adfm.202003451

3. 可降解特性對于可植入可降解的水凝膠來說，降解速率是影響潤滑生物材料體內停留時間的重要因素。動態(tài)共價水凝膠通常具有相對較快的降解速率，這限制了水凝膠在軟骨潤滑中的應用。降解實驗顯示HA-凝膠響應于透明質酸酶而快速降解，并且降解在第14天幾乎完成。相反，Lipo @ HA-凝膠表現出相對緩慢的降解趨勢，并在第28天完全降解(圖9A)，其可作為對抗酶促降解的物理屏障，從而有助于持續(xù)潤滑(圖9B)。同時，延長的降解周期有助于軟骨的持續(xù)修復。

圖9 水凝膠的降解及其延緩降解示意圖
參考資料：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22000780#sch1

4. 水凝膠在體外的成軟骨能力檢測為了說明其生物學效應，可以通過基因檢測等手段評估材料的成軟骨能力。如圖10所示，分別在培養(yǎng)7、14、21天后對細胞進行qPCR基因表達分析，檢測軟骨相關標志物SOX9、ColII、SZP、軟骨層間蛋白(CILP)、聚蛋白多糖(ACAN)和X型膠原(ColX)的表達。

圖10 水凝膠在體外的成軟骨能力檢測
參考資料：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120385

5. 水凝膠在體內的成軟骨能力檢測對于體內軟骨的檢測方法與成骨檢測類似，大多是由組織學、影像學或新生軟骨的性質三者相互輔助說明其成軟骨能力。如圖11所示，該工作通過修復后的光學照片對比（圖11a）、表面粗糙度（圖11b）、光學輪廓儀表面修復（圖11c）、Micro-CT（圖11e）和再生軟骨組織的摩擦性能（圖11f）等評估方式進一步說明材料的成軟骨能力。

圖11 體內成軟骨再生的效果
參考資料：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120385

CT等手段能夠對新生骨的形狀和恢復效果作出準確判斷，而組織學染色能夠有效說明體內軟骨的生成效率，二者相輔相成可以進一步說明水凝膠材料的成軟骨再生能力。圖12分別展示了利用HE染色、甲苯胺藍染色以及番紅O-固綠染色說明體內軟骨的生成能力。

圖12 組織學染色
參考資料：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.02.016

以上是EFL為大家整理的水凝膠促進成軟骨修復的檢測方法，可以簡單總結為水凝膠的機械性能，體外主要是細胞培養(yǎng)、基因蛋白表達，體內主要是CT掃描、組織染色及再生軟骨的性能。