[01238941]水凝胶生物材料的应用基础研究

本项目属材料、机械和生物医学工程学科。 水凝胶生物材料在人体组织、器官、软骨及创伤修复等领域具有重要应用前景,关节软骨长期在高的交变生理冲击载荷、复杂多向运动和重载摩擦磨损等苛刻环境工作,研究满足生物力学和摩擦学性能要求、生物相容性好的新型水凝胶软骨及相关机制是一项具有挑战的科学与技术问题。在国家自然基金和江苏省科技计划的支持下,本项目经过10多年努力,深入系统地研究了水凝胶的组织结构及其与力学、摩擦学及生物学性能相关性规律,发展了低摩擦、耐磨、高强和活性半降解及可注射组织工程水凝胶软骨及制备方法。项目的主要成果和特点为： 1. 发展了添加纳米颗粒、组分与γ射线辐照协同增强水凝胶制备方法,获得强度、生物相容性满足关节软骨修复要求且具有与天然软骨相似粘弹性的凝胶软骨。揭示了改性组分和γ射线辐照对凝胶的结构、力学与摩擦学性能的影响规律。 2. 阐明了PVA/PVP水凝胶在非渗透压溶液和模拟天然软骨内渗透压环境的大分子溶液中的溶胀行为,揭示了其溶胀机制以及对力学和摩擦性能的影响规律,发现凝胶在模拟体内环境下具有比在体外更好的力学和摩擦学性能;率先以生理盐水为溶剂,制备PVA盐水凝胶,显著缩短了PVA凝胶达到溶胀平衡所需时间,有利于植入凝胶与体内组织界面之间达到更好的相容性。 3. 建立了适用水凝胶软骨的两相润滑模型,阐明了水凝胶的两相结构、溶胀和承载能力在改善水凝胶润滑方面的协同作用;揭示了载荷、速度和润滑条件对水凝胶软骨摩擦学特性的影响规律,以及不同润滑条件下各润滑机制之间相互转变的临界条件;提出凝胶软骨的摩擦配副优化设计观点,可指导其应用使用条件。 4. 为改善凝胶软骨与周边天然软骨的连接、整合,提出把人工凝胶与组织工程相结合,构建半降解、活性凝胶软骨,为软骨损伤修复提供了新思路;利用生物活性交联技术发展了多种可注射水凝胶型细胞支架,并结合药物传递手段,为软骨修复微创技术提供新型水凝胶功能材料。 本项目研究成果在Chemical Communications,Journal of Biomedical Materials Research A,Wear,Tribology International,Materials Science and Engineering C, Macromolecular rapid communications等刊物上共发表论文70篇,其中SCI论文64篇,论文他引2103次,被SCI他引1268次;8篇代表作他引397次,被SCI他引220次。引文期刊包括PNAS,Advanced Materials,Advanced Function Materials,ACS NANO,Biomaterials等杂志,引文作者来自美、英、德、法,日、意、俄等31个国家的学者,包括美国国家工程院院士、英国皇家工程院院士、美国生物材料学会主席和中国科学院院士等。科学出版社出版《生物材料与组织工程》、《医用多聚糖材料》2部,在《人体生物摩擦学》中撰写第5章（人体环境中植入物的磨损问题）和第7章（天然与人工软骨摩擦学）。获国家发明专利授权6项,相关研究成果在医用聚乙烯醇（PVA）海绵止血和软组织损伤修复方面获得应用。