A Synthetic Hydrogel Composite with the Mechanical Behavior and Durability of Cartilage

材料科学 复合材料 细菌纤维素 极限抗拉强度 软骨 乙烯醇 复合数 弹性模量 纳米纤维 聚合物 纤维素 化学工程 医学 解剖 工程类
作者
Feichen Yang,Jiacheng Zhao,William J. Koshut,John Watt,Jonathan C. Riboh,Ken Gall,Benjamin J. Wiley
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:30 (36) 被引量:245
标识
DOI:10.1002/adfm.202003451
摘要

Abstract This article reports the first hydrogel with the strength and modulus of cartilage in both tension and compression, and the first to exhibit cartilage‐equivalent tensile fatigue strength at 100 000 cycles. These properties are achieved by infiltrating a bacterial cellulose (BC) nanofiber network with a poly(vinyl alcohol) (PVA)–poly(2‐acrylamido‐2‐methyl‐1‐propanesulfonic acid sodium salt) (PAMPS) double network hydrogel. The BC provides tensile strength in a manner analogous to collagen in cartilage, while the PAMPS provides a fixed negative charge and osmotic restoring force similar to the role of aggrecan in cartilage. The hydrogel has the same aggregate modulus and permeability as cartilage, resulting in the same time‐dependent deformation under confined compression. The hydrogel is not cytotoxic, has a coefficient of friction 45% lower than cartilage, and is 4.4 times more wear‐resistant than a PVA hydrogel. The properties of this hydrogel make it an excellent candidate material for replacement of damaged cartilage.
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