类型a
作者与机构信息
该研究由Connor J. DeMott、McKenzie R. Jones、Caleb D. Chesney和Melissa A. Grunlan*主导完成，所有作者均隶属于德克萨斯农工大学（Texas A&M University）生物医学工程系。Melissa A. Grunlan同时隶属于材料科学与工程系以及化学系。该研究发表于《ACS Biomaterials Science & Engineering》期刊，接收时间为2022年12月2日，接受时间为2023年2月14日，并于2023年3月7日正式出版。
学术背景
软骨组织在人体中承担着负载、分布压力和支持运动的重要功能。然而，由于软骨的低愈合能力，其损伤或退化往往需要手术干预。传统的生物移植方法和人工替代物存在诸多局限性，例如供体来源不足、供体部位并发症以及机械性能不匹配等问题。因此，开发能够模拟天然软骨特性的替代材料成为研究热点。本研究旨在通过设计一种具有粘附性和高模量的三重网络（Triple Network, TN）水凝胶，来实现对复杂软骨组织的重建。这种TN水凝胶不仅具备类似软骨的高含水量和力学性能，还能够通过静电相互作用实现不同区域间的粘附，从而为软骨替代物的设计提供了新思路。
研究流程
该研究主要包括以下步骤：
TN水凝胶的制备
研究团队采用三步紫外光固化工艺制备了TN水凝胶。第一步，通过交联聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）形成第一网络；第二步，在第一网络基础上引入松散交联的聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酰胺）（P(NIPAAm-co-AAM)）形成第二网络；第三步，通过调整第三网络单体浓度（0.5至2.0 M），分别引入阳离子型聚（（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵）（PAPTAC）或阴离子型PAMPS形成第三网络。最终得到两种类型的TN水凝胶：TN-APTAC（阳离子第三网络）和TN-AMPS（阴离子第三网络）。
水凝胶的表征
数据分析
数据分析采用了双因素方差分析（ANOVA）结合Dunnett多重比较检验的方法，使用GraphPad Prism软件进行统计处理，显著性水平设定为p < 0.05。
主要结果
1. 水含量与力学性能
TN-APTAC水凝胶表现出高达80%的含水量和1至3 MPa的超高模量，其压缩强度范围为23至32 MPa。随着第三网络单体浓度的增加，模量和强度均显著提高，这归因于静电吸引力引起的网络间交联密度增加。相比之下，TN-AMPS水凝胶的含水量更高（约90%），但模量较低（1.0至1.5 MPa），且强度随第三网络浓度增加而下降。这一现象可能与第一和第三网络之间的静电排斥力有关，导致链刚性增加并削弱了应力耗散能力。
粘附性能
搭接剪切实验表明，当第三网络单体浓度较低时（如0.5 M），TN水凝胶之间表现为粘附失效；而当浓度增加到1.0 M及以上时，界面粘附性能显著改善，甚至出现内聚失效。特别是当浓度达到1.5和2.0 M时，界面剪切强度可达到约80 kPa。这表明高浓度的第三网络能够在表面形成足够的静电荷密度，从而实现稳定的粘附连接。
软骨样结构构建
研究团队利用TN水凝胶成功构建了一个概念验证的人工椎间盘（IVD）模型。其中，TN-APTAC-2.0M水凝胶被用于模拟纤维环（AF），而基于阴离子互穿网络（IPN）的水凝胶则被用于模拟髓核（NP）。此外，研究还展示了利用TN-AMPS和TN-APTAC水凝胶构建双层关节软骨替代物的可能性，分别模拟浅层和深层软骨的不同模量特性。
结论与意义
本研究开发了一种基于静电粘附机制的TN水凝胶，其具有类似软骨的高含水量和力学性能，可作为复杂软骨组织重建的理想构建模块。这些水凝胶不仅能够通过调整第三网络单体浓度实现力学性能的精确调控，还能通过静电相互作用实现不同区域间的稳定粘附。研究成果为设计具有区域差异性的合成软骨替代物提供了重要参考，未来有望应用于椎间盘修复、关节软骨重建等领域。
研究亮点
1. 创新性设计：通过引入阳离子或阴离子第三网络，实现了水凝胶表面电荷的精确控制，从而赋予其优异的粘附性能。
2. 卓越的力学性能：TN-APTAC水凝胶表现出高达3 MPa的模量和约80%的含水量，接近天然软骨的特性。
3. 应用潜力：成功构建了人工椎间盘和双层关节软骨替代物，展示了其在复杂软骨组织重建中的广泛应用前景。
其他有价值内容
研究团队指出，未来工作将聚焦于利用扫描开尔文探针显微镜（SKPM）对水凝胶表面化学性质和电荷分布进行进一步表征。此外，还将评估这些水凝胶在不同溶液环境（如磷酸盐缓冲液或滑液）中的粘附和力学性能表现，以验证其在体内条件下的适用性。