關節疾病與組織損傷是威脅人類健康的頑固性疾病之一，發病率高而且難以治愈。采用人工材料實現組織缺損的填充、置換、再生，是當今世界多學科交叉的前沿課題，具有非常廣泛的應用前景，但也面臨著巨大的挑戰。人工材料的設計與合成、結構操控、生物活性與生物功能的實現與調控等是成功地構建組織工程材料與器件的關鍵難題。
天然關節軟骨組織是典型的高分子水凝膠結構，并且沿軸向呈多層次有序分布，具有極高的潤滑特性和抗壓性能。合成高分子水凝膠雖具備高含水量和生物活性，但往往力學性能較差，無法承受人體負荷。雙網絡水凝膠體系是一類耐壓縮的新型水凝膠材料，其壓縮強度可高達17MPa，壓縮破壞應變可達90%。但仍需進一步提高其耐壓強度和抗應變、抗蠕變特性。
寧波材料所生物醫用高分子材料團隊發展了雙網絡水凝膠思想，對剛性的第一網絡進行納米復合，通過引入剛性的納米粒子，形成由柔性交聯點與剛性交聯點共同構成的第一網絡，再與第二網絡結合，得到的水凝膠壓縮強度提高到70MPa以上，而且壓縮形變高達98%仍不破壞（圖1），該材水凝膠材料可能在關節修補方面具有重要的應用價值。有關研究成果發表在英國皇家化學會旗下的Soft Matter雜志上（Soft Matter 2012, 8, 6048-6056）。
圖1.納米復合雙網絡水凝膠的制備（左）、壓縮形變（右）與壓縮強度（下）
除此以外，功能納米顆粒與高分子水凝膠復合，既可賦予材料特定的生物功能，也便于對材料的結構與生物功能進行操控。該團隊設計并合成了具有磁性的納米羥基磷灰石，通過磁場誘導，成功地對具有成骨活性的納米羥基磷灰石在水凝膠體系中的空間分布進行了操控。研究表明，磁性納米羥基磷灰石具有比普通納米羥基磷灰石更強的成骨細胞誘導活性，其在水凝膠支架中的空間分布，對成骨細胞在支架上的粘附與增殖行為具有顯著的調控作用（圖2）。該研究為設計與構建具有仿生結構與細胞行為調節功能的高分子水凝膠組織工程支架體系提供了新的思路。
圖2. （左）磁性納米羥基磷灰石，（右）成骨細胞在納米復合水凝膠上的形態，（下）磁性納米粒子空間分布對成骨細胞粘附與增殖的調控效果
上述研究工作得到了國家自然科學基金，寧波市自然科學基金，寧波材料所所長基金前瞻性項目資助。
