Biomaterials Science | TOMID宋剑课题组联合中山七院开发一种仿软骨关节复合材料

       第一跖趾关节（MTP）作为人体行走与负重的核心支撑结构，其病变治疗长期依赖关节置换术。然而术中相关该关节假体材料面临的接触界面摩擦磨损已成为限制其长期服役或失效的关键瓶颈。针对这一问题，受天然软骨关节润滑机制启发，TOMID宋剑课题组联合中山七院凌泽民课题组设计了一种将刷状共聚物与二维纳米材料结合的仿软骨关节复合材料策略，以提升人工MTP关节假体材料的摩擦学性能。相关研究成果于近日以“Brush-like copolymer and MXene-functionalized PVA/PEEK scaffolds: enhancing lubrication in metatarsophalangeal joint prostheses”为题发表在期刊《Biomaterials Science》。

       研究团队受天然软骨关节表面的刷状共聚物能在运动过程中保持伸展，抵抗链间纠缠，从而最大限度地减少摩擦能量的耗散和材料磨损机制启发，先是通过RAFT 聚合合成的窄分散聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（PAMPS）聚合物，再通过酰胺化共价接枝到胺基化透明质酸（HA-ADH）上，产生刷状 HAPA 聚合物结构。最后将 HAPA 和 MXene 纳米片掺入聚乙烯醇（PVA）水凝胶中，并通过多次冻结-融化循环在多孔聚醚醚酮（PEEK）中物理互锁，形成一种仿软骨关节的复合材料（PVA/HAPA/MXene - PEEK）。其中HAPA模拟了天然润滑蛋白-透明质酸复合物的结构，MXene二维无机纳米片被嵌入同样表现出了卓越的生物相容性、固有的层滑动特性和自润滑能力。实验结果表明，该复合材料具有83.0%的高含水量，力学性能可靠，生物相容性良好和独特的双相润滑行为，在TC4、ZrO2、PEEK等常用假体材料作为对摩擦副的情况下均能显著减小摩擦系数、降低磨损程度，与TC4的摩擦系数低至 0.033。因此，基于现有实验结果，研究团队推测 PVA/HAPA/MXene 复合水凝胶可能涉及一种 HAPA 相关的水合润滑与 MXene 介导的界面调控协同润滑策略，该策略可能有助于在涉及多样界面刚度和表面化学性质条件下，更好地应对假体材料面临的接触界面摩擦磨损问题，使基于PVA的复合水凝胶获得更稳定的润滑效果。

       TOMID博士后蒲建与硕士生张能深为论文共同第一作者，TOMID宋剑副教授为最后通讯作者，中山大学七院凌泽民副研究员为共同通讯作者，中山大学生物医学工程学院为第一完成单位。本文作者还包括TOMID张超教授和2024届硕士毕业生汤璐瑶。

      该研究得到了国家自然科学基金(52505238和12502382)、广东省基础及应用基础研究基金(2026A1515012176、2025A1515012640、2025A1515012203 和 2024A1515012406)深圳市科技计划项目(JCYJ20240813151307010)以及深圳市骨组织修复与转化研究重点实验室(ZDSYS20230626091402006的资助和国家药品监督管理局创新与研究监管科学中心支持。

论文信息：J. Pu, N. Zhang, L. Tang, Z. Ling, C. Zhang and J. Song, Brush-like copolymer and MXene-functionalized PVA/PEEK scaffolds: enhancing lubrication in metatarsophalangeal joint prostheses, Biomater. Sci. https://doi.org/10.1039/D5BM01375E

供稿：张能深
终审：宋剑