Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Vi hạch khớp lấy cảm hứng từ các vi cầu bôi trơn mô phỏng sinh học: các vi gel được gắn chặt bởi các chổi polyelectrolyte zwitterionic
Tóm tắt
Dịch khớp được cấu thành từ nhiều sinh macromolecule khác nhau, bao gồm axit hyaluronic, aggrecan, lubricin và lipid phosphatidylcholine, được lắp ráp lên bề mặt của sụn khớp ở trạng thái gel. Trong số đó, các sinh macromolecule hay các cụm giống như chổi có tác động quan trọng đến việc bôi trơn khớp ở người. Lấy cảm hứng từ điều này, sự kết hợp giữa cấu trúc phân tử giống như chổi và sự lắp ráp giống như gel có thể là một phương pháp hiệu quả để tổng hợp các chất bôi trơn mô phỏng sinh học. Học hỏi từ hệ thống bôi trơn của khớp người, các chổi poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) (PMPC) gắn trên vi gel poly(N-isopropylacrylamide-co-acrylic acid) (poly(NIPAAm-co-AA)), được viết tắt là MBs-g-MGs, đã được tổng hợp như một loại phụ gia bôi trơn mô phỏng sinh học. Đáng chú ý là chiến lược bionic này xem xét cả cấu trúc phân tử và hình thức lắp ráp, điều này cho phép microgel có lông này đạt được ma sát thấp trong môi trường nước. Đồng thời, việc bôi trơn hiệu quả vẫn được đạt được khi sử dụng MBs-g-MGs ở nhiệt độ cao, cho thấy rằng microgel này duy trì hiệu quả bôi trơn tốt trong một khoảng nhiệt độ rộng. Ngoài ra, loại microgel này có khả năng tương thích sinh học tốt, tạo nền tảng cho các ứng dụng y sinh tiềm năng. Nhìn xa hơn, các microgel mô phỏng sinh học này có thể cung cấp hiệu ứng bôi trơn hiệu quả cho các bề mặt trượt dựa trên nước, đặc biệt trong các hệ thống y sinh.
Từ khóa
#dich khớp #bôi trơn mô phỏng sinh học #microgel #polyelectrolyte zwitterionic #chất bôi trơn #ứng dụng y sinhTài liệu tham khảo
Cooper B G, Catalina B, Nazarian A, Snyder B D, Grinstaff M W. Active agents, biomaterials, and technologies to improve biolubrication and strengthen soft tissues. Biomaterials 181: 210–226 (2018)
Jahn S, Seror J, Klein J. Lubrication of articular cartilage. Annu Rev Biomed Eng 18: 235–258 (2016)
Dėdinaitė A. Biomimetic lubrication. Soft Matter 8(2): 273–284 (2012)
Lin W F, Klein J. Recent progress in cartilage lubrication. Adv Mater 33(18): 2005513 (2021)
Klein J. Polymers in living systems: From biological lubrication to tissue engineering and biomedical devices. Polym Adv Technol 23(4): 729–735 (2012)
Lee S, Spencer N D. Sweet, hairy, soft, and slippery. Science 319(5863): 575–576 (2008)
Seror J, Zhu L Y, Goldberg R, Day A J, Klein J. Supramolecular synergy in the boundary lubrication of synovial joints. Nat Commun 6: 6497 (2015)
Morgese G, Benetti E M, Zenobi-Wong M. Molecularly engineered biolubricants for articular cartilage. Adv Healthc Mater 7(16): 1701463 (2018)
Ma S H, Scaraggi M, Wang D A, Wang X L, Liang Y M, Liu W M, Dini D, Zhou F. Nanoporous substrate-infiltrated hydrogels: A bioinspired regenerable surface for high load bearing and tunable friction. Adv Funct Mater 25(47): 7366–7374 (2015)
Liu G Q, Cai M R, Zhou F, Liu W M. Charged polymer brushes-grafted hollow silica nanoparticles as a novel promising material for simultaneous joint lubrication and treatment. J Phys Chem B 118(18): 4920–4931 (2014)
Green J J, Elisseeff J H. Mimicking biological functionality with polymers for biomedical applications. Nature 540(7633): 386–394 (2016)
Liu G Q, Feng Y, Zhao N, Chen Z, Shi J Q, Zhou F. Polymer-based lubricating materials for functional hydration lubrication. Chem Eng J 429: 132324 (2022)
Chen Z, Feng Y, Zhao N, Liu Y N, Liu G Q, Zhou F, Liu W M. Near-infrared-light-modulated lubricating coating enabled by photothermal microgels. ACS Appl Mater Interfaces 13(41): 49322–49330 (2021)
Raviv U, Giasson S, Kampf N, Gohy J F, Jérôme R, Klein J. Lubrication by charged polymers. Nature 425(6954): 163–165 (2003)
Ma L R, Gaisinskaya-Kipnis A, Kampf N, Klein J. Origins of hydration lubrication. Nat Commun 6: 6060 (2015)
Klein J. Hydration lubrication. Friction 1(1): 1–23 (2013)
Chen M, Briscoe W H, Armes S P, Klein J. Lubrication at physiological pressures by polyzwitterionic brushes. Science 323(5922): 1698–1701 (2009)
Wathier M, Lakin B A, Bansal P N, Stoddart S S, Snyder B D, Grinstaff M W. A large-molecular-weight polyanion, synthesized via ring-opening metathesis polymerization, as a lubricant for human articular cartilage. J Am Chem Soc 135(13): 4930–4933 (2013)
Banquy X, Burdyńska J, Lee D W, Matyjaszewski K, Israelachvili J. Bioinspired bottle-brush polymer exhibits low friction and amontons-like behavior. J Am Chem Soc 136(17): 6199–6202 (2014)
Faivre J, Shrestha B R, Burdynska J, Xie G J, Moldovan F, Delair T, Benayoun S, David L, Matyjaszewski K, Banquy X. Wear protection without surface modification using a synergistic mixture of molecular brushes and linear polymers. ACS Nano 11(2): 1762–1769 (2017)
Plamper F A, Richtering W. Functional microgels and microgel systems. Acc Chem Res 50(2): 131–140 (2017)
Li B, Kappl M, Han L, Cui J X, Zhou F, del Campo A. Goosebumps-inspired microgel patterns with switchable adhesion and friction. Small 15(35): 1902376 (2019)
Chen Z, Feng Y, Zhao N, Shi J Q, Liu G Q, Liu W M. Near-infrared photothermal microgel for interfacial friction control. ACS Appl Polym Mater 3(8): 4055–4061 (2021)
Liu G Q, Cai M R, Wang X L, Zhou F, Liu W M. Magnetite-loaded thermosensitive nanogels for bioinspired lubrication and multimodal friction control. ACS Macro Lett 5(1): 144–148 (2016)
Liu G Q, Wang X L, Zhou F, Liu W M. Tuning the tribological property with thermal sensitive microgels for aqueous lubrication. ACS Appl Mater Interfaces 5(21): 10842–10852 (2013)
Zhang Z Y, Moxey M, Alswieleh A, Morse A J, Lewis A L, Geoghegan M, Leggett G J. Effect of salt on phosphorylcholine-based zwitterionic polymer brushes. Langmuir 32(20): 5048–5057 (2016)
Yu Y L, Vancso G J, de Beer S. Substantially enhanced stability against degrafting of zwitterionic PMPC brushes by utilizing PGMA-linked initiators. Eur Polym J 89: 221–229 (2017)
Kobayashi M, Terayama Y, Hosaka N, Kaido M, Suzuki A, Yamada N, Torikai N, Ishihara K, Takahara A. Friction behavior of high-density poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) brush in aqueous media. Soft Matter 3(6): 740–746 (2007)
Yu Y L, Yao Y C, van Lin S, de Beer S. Specific anion effects on the hydration and tribological properties of zwitterionic phosphorylcholine-based brushes. Eur Polym J 112: 222–227 (2019)
Wang Y X, Sun Y L, Gu Y H, Zhang H Y. Articular cartilage-inspired surface functionalization for enhanced lubrication. Adv Mater Interfaces 6(12): 1900180 (2019)
Zheng Y W, Yang J L, Liang J, Xu X Y, Cui W G, Deng L F, Zhang H Y. Bioinspired hyaluronic acid/phosphorylcholine polymer with enhanced lubrication and anti-inflammation. Biomacromolecules 20(11): 4135–4142 (2019)
Chen H, Sun T, Yan Y F, Ji X L, Sun Y L, Zhao X, Qi J, Cui W G, Deng L F, Zhang H Y. Cartilage matrix-inspired biomimetic superlubricated nanospheres for treatment of osteoarthritis. Biomaterials 242: 119931 (2020)
Klein J. Repair or replacement: A joint perspective. Science 323(5910): 47–48 (2009)
Rong M M, Liu H, Scaraggi M, Bai Y Y, Bao L Y, Ma S H, Ma Z F, Cai M R, Dini D, Zhou F. High lubricity meets load capacity: Cartilage mimicking bilayer structure by brushing up stiff hydrogels from subsurface. Adv Funct Mater 30(39): 2004062 (2020)
Wang D E, Gao X H, You S Q, Chen M, Ren L, Sun W J, Yang H, Xu H Y. Aptamer-functionalized polydiacetylene liposomes act as a fluorescent sensor for sensitive detection of MUC1 and targeted imaging of cancer cells. Sens Actuat B Chem 309: 127778 (2020)