人體軟骨是一種複雜的材料，強度足以承受很大的重量，但又具有足夠的柔韌性，可以減輕對關節的衝擊並在不同方向上拉伸和扭曲。

這種複雜性是為什麼研究人員在實驗室中麵臨挑戰以尋找可行的軟骨替代品的原因。但是，杜克大學的研究人員認為他們已經接近可以與人類材料的強度和耐用性相匹配的新型凝膠。

杜克大學教授Ben Wiley說，Duke小組開發的材料是一種水凝膠(一種由吸水聚合物組成的材料)，與人類軟骨相似，因為它可以承受重載荷和曲折而不會隨時間造成明顯磨損。材料科學家與肯·加爾教授共同領導了這項工作。

“我們著手製造出第一款具有軟骨機械性能的水凝膠，” Wiley在談到該團隊的項目目標時說道。

盡管軟骨確實很堅硬，但多年的磨損(尤其是運動員或從事大量運動的人)卻很難修理。研究人員認為，這種凝膠可以用於替換受損的軟骨，這些人需要替換膝關節等關節周圍的軟骨或整個關節本身，但又希望盡可能延長嚴重的手術時間。

研究人員開發的新型水凝膠由兩個相互纏繞的聚合物網絡組成。一種由類似於意大利麵條的柔性線製成，而另一種則更硬。兩者在其長度上都帶有負電荷。該材料的第三個元素是纖維素纖維網，可增強其他兩種材料。

該項目的研究人員之一，獲得博士學位的楊飛晨說：“隻有這三個組成部分的結合才具有柔韌性和剛性，因此也很堅固。” 威利實驗室化學專業的新聞稿中。

像果凍，但更強

該材料像軟骨一樣起作用的能力是基於對壓力的兩個關鍵反應。一種是在拉伸凝膠時，纖維素纖維可以抵抗拉動並有助於將材料保持在一起。

或者，當擠壓水凝膠時，沿著剛性聚合物鏈的負電荷會互相排斥並粘在水上。該反應有助於材料恢複其原始形狀。

在外觀上，這種材料看起來與Jell-O並無不同，盡管就強度而言，流行的甜點在水凝膠上沒有任何成分。即使凝膠是60%的水，一個四分之一大小的光盤也可以承受約100磅的重量而不會撕裂或變形。

該小組在《高級功能材料》雜誌上發表了一篇有關其工作的論文。

研究人員進行了各種測試以證明材料的性能。他們說，在其中一項中，研究人員對其進行了100,000次重複拉動，結果令人驚訝。該材料與用於骨植入物的多孔鈦一樣耐用。

在另一個實驗中，研究小組將這種新材料與天然軟骨摩擦了一百萬次。結果表明，水凝膠的表麵具有與真實物體一樣的耐磨性，是目前美國FDA批準用於大腳趾的合成軟骨植入物的四倍。

盡管至少要再過三年，實驗室測試才能進入臨床試驗，但是研究人員計劃繼續開發這種材料。他們的下一步將是創建可以在綿羊身上測試的植入物。