Biomimetic construction of a lubricious hydrogel with robust mechanics via polymer chains interpenetration and entanglement for TMJ disc replacement

润滑 聚乙烯醇 聚合物 材料科学 应变能 生物医学工程 有限元法 复合材料 结构工程 工程类
作者
Yi Hou,Mengmeng Jin,Yao Liu,Nan Jiang,Li Zhang,Songsong Zhu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:460: 141731-141731 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.141731
摘要

Developing a temporomandibular joint (TMJ) disc substitute with reliable long-term functional support has faced a huge challenge in replicating the unique microarchitecture, biomechanics and lubrication of the natural tissue. Herein, a novel biomimetic hydrogel consisting of graphene oxide nanosheets modified anionic polyurethane (nGO-APU) and polyvinyl alcohol (PVA) was successfully fabricated through combined freeze-thawing and annealing treatment. Of which, the annealed PVA (a-PVA) with entanglement network acted as the main frame to provide mechanical support, while the interpenetrated nGO-APU chains endowed the function for water retention and lubrication, thus resisting the compressive loads and fulfilling a durable energy absorbing and cushion. The resultant nGO-APU/a-PVA hydrogel achieved better lubrication effect through the synergistic effect of fluid film and boundary lubrication, exhibiting a low friction coefficient of about 0.06, close to the natural TMJ disc. After implantation into rabbit TMJ for up to 24 weeks, the nGO-APU/a-PVA hydrogel kept the structural stability to offer effective protection against wearing of the cartilage, meanwhile ameliorating the worsening of osteoarthritis. The finite element analysis (FEA) further proved that the resultant hydrogel could effectively disperse the applied stress and dissipate energy under practical loading conditions. This strategy based on a biomimetic hydrogel with enhanced mechanical stability and lubrication performance shows clinical promise for TMJ disc replacement.
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