我們的膝關節里有一塊像“緩沖墊”一樣的軟組織，叫半月板。它不僅能吸收走路、跑步時的沖擊力，還能幫助關節液均勻分布，讓關節面（也就是關節軟骨）在運動時順暢滑動、減少磨損。

基于此，南方科技大學吳德成、劉洪梅、北京大學第三醫院余家闊研究團隊在《American Chemical Society》雜志發表了“Meniscus-Inspired Self-Lubricating and Friction-Responsive Hydrogels for Protecting Articular Cartilage and Improving Exercise”揭示了受半月板啟發的自潤滑且摩擦響應型水凝膠，用于保護關節軟骨并改善運動。

受半月板啟發，作者開發了一種兼具自潤滑與摩擦響應釋藥功能的可注射水凝膠。該水凝膠負載含雙氯芬酸鈉（DS）和卡托根寧（KGN）的納米脂質體，在關節運動摩擦刺激下釋放藥物并形成潤滑水化層，同步實現抗炎與軟骨再生。材料具備優異力學性能、抗疲勞性及長效降解特性，體內實驗證實其可顯著改善大鼠運動功能并保護關節軟骨，展現出治療半月板損傷的廣闊前景。

圖一 HSPC脂質體-明膠水凝膠的構建與表征

關節軟骨退化常與關節內摩擦增大和炎癥密切相關。磷脂是滑液和軟骨中的天然成分，能有效潤滑關節、降低摩擦，同時有助于藥物靶向遞送和提高生物利用度，因此被視為治療軟骨和半月板損傷的理想材料。

作者選用氫化大豆磷脂（一種穩定、天然的磷脂）制備納米脂質體。電鏡觀察顯示，這些脂質體呈球形多層囊泡，平均粒徑約183納米，分散性良好。

為延長其在關節內的停留時間，作者將脂質體嵌入可注射明膠水凝膠中。明膠源自膠原，生物相容性好、抗原性低；通過轉谷氨酰胺酶催化交聯，可在體內原位形成凝膠。實驗優化后確定：每克明膠加入10單位酶（凝膠時間約590秒，適合手術操作），并添加20毫摩爾磷脂脂質體，此時水凝膠力學性能最佳：壓縮模量和強度最高。

共聚焦顯微鏡證實，脂質體在水凝膠中均勻分布且結構完整；冷凍電鏡進一步顯示，復合水凝膠內部確實嵌有未破壞的脂質體，而普通電鏡因需冷凍干燥，脂質體形態略有變形。

這一設計為后續實現摩擦響應釋藥、自潤滑與軟骨修復一體化奠定了材料基礎。

圖二 術后第6周和第12周水凝膠治療大鼠的步態分析

嚴重關節損傷的發生不僅會破壞關節功能、削弱肌肉力量，還會影響足部功能。

作者將水凝膠注射到大鼠的半月板切除損傷部位并通過術后第6周和第12周的步態分析（）評估其改善運動性能的療效。在第6周時，磷酸鹽緩沖液對照組的左后足平均接觸面積顯著小于假手術組。然而，各水凝膠治療組的左后足平均接觸面積與假手術組相似，這表明注射水凝膠對關節具有保護作用。隨著時間的推移，到第12周時，磷酸鹽緩沖液對照組、純明膠凝膠組以及僅含脂質體的明膠凝膠組的左后足平均接觸面積較假手術組顯著減小。相比之下，負載雙藥的水凝膠治療組表現出顯著更大的左后足平均接觸面積，其效果與假手術組相當，表明該雙藥水凝膠展現出更優越的關節保護效果。

推進時間是指動物向前移動所需的時間。推進時間的縮短意味著動物肌肉力量的增強和身體協調性的改善。在第6周時，各單藥及雙藥治療組與假手術組的推進時間均短于磷酸鹽緩沖液對照組。隨著時間的推移，到第12周時，負載雙藥的水凝膠治療組表現出顯著更短的推進時間，其數值較磷酸鹽緩沖液對照組大幅降低且結果與假手術組相當。

總體而言，步態分析證實，注射設計的水凝膠后，運動功能得到了一致性恢復，其中負載雙藥的水凝膠效果尤為顯著。

圖三 術后第12周水凝膠治療大鼠的組織學染色

除了步態分析和影像學評估外，作者還采用了蘇木精 - 伊紅、番紅 O-固綠以及甲苯胺藍等組織學染色技術以評估關節軟骨的組織學變化。

假手術組呈現出光滑的軟骨表面、完整的軟骨結構以及典型的細胞形態。相比之下，磷酸鹽緩沖液對照組的軟骨表面不連續且軟骨細胞數量減少。此外，與磷酸鹽緩沖液對照組相比，所有水凝膠治療組在軟骨結構、軟骨細胞密度、基質染色以及潮線完整性方面均表現出不同程度的改善。單藥治療組（分別負載抗炎藥或再生藥）的軟骨病變雖有明顯好轉，但仍存在明顯的表面磨損。而雙藥聯合治療組（同時負載兩種藥物）則表現出更輕微的表面破壞和分層現象，且甲苯胺藍和番紅 O 染色更深。

這些結果表明，與單一的潤滑干預或藥物干預相比，潤滑與藥物聯合干預在保護軟骨免受退化方面展現出更優越的療效。

總結

該HKDG水凝膠通過仿生半月板的結構與功能，巧妙整合了自潤滑、摩擦響應釋藥、抗炎與促再生等多重特性。其優異的可注射性、力學穩定性、抗疲勞性和可控降解行為，使其能夠適應關節動態微環境；體內實驗進一步證實，原位注射后可有效減輕炎癥、保護關節軟骨并顯著改善運動功能。這一多功能平臺不僅模擬了天然半月板的潤滑與緩沖作用，更展現出在半月板修復與骨關節炎防治中的廣闊應用潛力。

文章來源：

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10139

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