软骨再生和修复是临床面临的巨大挑战，因为软骨的重建能力有限。尽管组织工程材料具有修复软骨的能力，但其力学特性较弱，无法长期抵抗超载。另一方面，为了治疗严重软骨破坏，常常需要采用关节置换手术。然而，目前用于替代的材料摩擦系数高，缺乏减震功能和缓冲性能。进一步研究自然关节软骨的结构和功能需要致力于仿生水凝胶的开发，这种材料具有适当的物理化学和生物学特性（例如，摩擦学和力学性能以及支持承载能力的特性），但仍需进一 步改进。根据其摩擦学和力学特性，本论文重点介绍了用于关节软骨的仿生水凝胶的研究工作，突出了该领域的最新进展和未来研究的潜力。
南京理工大学 熊党生 教授的研究团队在Journal of Bionic Engineerin上发表题为 “Recent Progress in Bionic Hydrogels for Articular Cartilage: Tribological and Mechanical Characteristics” 的综述论文，讨论了仿生水凝胶的一些重要性能改进方法，提供了关于仿生材料制造的最新研究成果，并进行了比较。研究表明，通过对仿生水凝胶进行如产品设计、表面处理、动物试验和计算机模拟等修改，可以达到天然关节软骨的预期力学和摩擦学特性。
DN (Double Network)水凝胶的生产通常采用采用两步聚合工艺来制备，如图1所示。由于其内部结构的变化，这些水凝胶相比于单一网络的水凝胶，具有更高的机械强度，因为改善了聚合物末端的物理交联。
为了 更好地模拟自然关节软骨的结构和功能，文章指出生物仿生水凝胶需要在以下方面进行改进：首先，需通过表面改性和分子间的可逆键合增强其润滑和机械性能，解决粘附、润滑和可调节性问题，如图2所示；其次，通过深入研究自然关节软骨的结构和功能，开发具有适宜的物理化学和生物特性（如摩擦学和机械性能，以及承受负荷的能力）的仿生水凝胶，如图3所示；此外，计算模拟和机器学习的应用是选择具有理想机械和摩擦学特性的生物材料，以及准确模仿自然软骨基础和功能的重要方法，如表1所示。以上研究将有助于实现低摩擦力和高机械强度的水凝胶的创新，用于修复关节软骨缺损。
图2 机械柔韧性、关节润滑、炎症控制以及 CS (Carboxylates and Sulfonates) 和 CS-Fe (Carboxylates and Sulfonates with Fe3+) 水凝胶的制备
图3 结构仿生软骨的制备程序，（a）UHMWPE底物的酯化和氧化，（b）PVA−HA单层水凝胶，（c）双层水凝胶，（d）多层仿生软骨的生产与评价
表1 关于计算模拟或机器学习的最新研究
综上 所述，水凝胶是用作生物材料的最重要候选者之一，其过程包括聚合物选择、交联和生物降解。但由于这些凝胶通常不具备足够的机械和摩擦学性能，无法用于实际应用，因此本论文强调了最近关于计算模拟和机器学习的研究，回顾了用作关节软骨的仿生水凝胶的摩擦学和机械性能的最新进展，以显示该领域的研究进展。
结论： 大量研究表明最强的关节软骨仿生水凝胶具有足够的COF (Coefficient of Friction)，在现实世界中使用这些材料之前，还应该克服这些挑战：（1）目前，仿生软骨材料利用表面改性和涂层来增强生物医学水凝胶的润滑和机械能力。因此，为了处理与附着力、润滑性和可调性相关的问题，应考虑分子之间的表面改性和可逆键；（2）大多数研究工作都处于材料改性阶段，而不是产品设计阶段，因此有必要进行动物试验以确认其有效性；（3）减少摩擦的新方法之一是调整水凝胶的IEP (Isoelectric Point)，使水凝胶带负电荷，增加水化润滑；（4）基于计算辅助的生物材料设计方法是一种新兴方法，有望实现水凝胶的预期性能。
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来源：仿生工程官方公众号