文献信息

宁波大学附属李惠利医院等单位的研究成果“A microballoon structured hydrogel with enhanced mechanical strength and electrical conductivity for meniscus tissue engineering（一种用于半月板组织工程、兼具力学强度与导电性的微泡结构水凝胶）在《Materials Today Advances》杂志（IF=8.0）上发表。平生公司的离体CT（VENUS）在论文中提供泡增强型导电水凝胶的图像和定量分析。

该研究的通讯作者为任国强和郝明明教授。第一作者为王晓博医师。

文献摘要

耐疲劳水凝胶是理想的半月板替代材料，可维持膝关节生物力学稳定性、减轻软骨磨损。本文制备了一种微泡增强型导电水凝胶（PHC2），命名取自三种核心组分首字母：聚乙烯醇（PVA）、透明质酸钠（HA）与 Ⅰ 型胶原（Collagen I）；材料通过协同冷冻诱导相分离结合气泡模板法制备而成。该制备工艺可构筑独特的微泡多孔网络结构（孔径 50–150 μm），孔壁致密厚实，显著提升材料弹性与抗疲劳性能。PHC2 具备优异力学性能：抗压强度 6.8±0.5 MPa，弹性模量 0.5±0.1 MPa；同时交流阻抗较低（1 kHz 下阻抗 15 Ω），具备稳定电信号传导能力。体外生物相容性实验与体内动物实验证实，该材料能够有效缓解软骨退变、抑制炎症反应，拥有良好的生物力学适配性与组织整合能力。综上，PHC2 是一种具有应用前景的电活性半月板替代材料，具备临床转化潜力。

实验方法

Micro-CT分析

将样品置于液氮快速冷冻，随后在真空环境（真空度＜50 Pa）、-50 ℃条件下冷冻干燥 48 h，以获得稳定的干态结构。将干燥后的水凝胶断面固定于样品台，溅射镀一层 20 nm 厚金膜以提升样品导电性能。

植入水凝胶显微 CT 成像检测

采用平生医疗科技有限公司的 VENUS VNC-102 型显微 CT 设备对植入体内的水凝胶进行扫描，评价植入材料整体及内部结构。扫描参数设置如下：电压 50 kV，电流 200 μA，体素分辨率 9 μm，全部操作严格遵循标准化显微 CT 检测规范。使用集成于 Cruiser 工作站的 Avatar 三维重建算法对原始图像数据重建，生成高分辨率体数据。重建所得三维模型可清晰呈现半月板植入区域的空间结构，便于对材料形貌、孔隙分布及组织整合情况开展精细化分析。

实验结果

如图 2A 所示，采用传统方法制备的 PHC1 水凝胶微观结构致密紧实，仅存在少量稀疏、形态不规则的孔洞。高倍扫描电镜（SEM）观测进一步证实其无多级结构，整体呈近乎无孔的形貌特征。对 PHC1 开展 Micro-CT 表征（图 2B）可见其为实体块状结构，孔道连通性极差：俯视图整体密度均一，截面图中孔洞彼此孤立、形态杂乱，无法形成相互贯通的网状通路。该结构虽能提供一定的力学支撑，但会严重阻碍细胞浸润、营养与代谢废物交换以及滑液渗透，因此无法模拟半月板替代材料所需的载荷分散与能量耗散功能 。与之形成鲜明对比，PHC2 水凝胶（图 2C）构建了微球增强型多级结构，内部微孔分布均匀，孔径介于 50–150 μm 之间。SEM 图像显示其孔壁分层致密，由连续高分子网络相互连接，赋予材料稳定的骨架结构与更优异的力学性能。PHC2 的 Micro-CT 三维重建结果（图 2D）证实，材料内部形成高度互通的多孔网络，孔径均一、结构连续性良好。

实验结论

本研究成功构建了一种新型耐疲劳导电水凝胶（PHC2），该材料由聚乙烯醇（PVA）、I 型胶原蛋白与透明质酸复合而成，具备微球增强多级孔结构。制备流程结合高速搅拌、单向梯度冷冻与多次冻融循环工艺；PHC2 可仿生天然软骨多孔微观结构，相比对照组水凝胶 PHC1，在力学性能、电化学响应性与细胞相容性上均显著提升。力学测试表明，PHC2 抗压强度可达 6.8 MPa，历经 1200 次循环载荷后仍可维持结构完整，同时具备低阻抗特性，兼具优异机械稳定性与电活性。体内实验证实，该水凝胶可与宿主组织稳定整合，有效填充半月板缺损、缓解关节软骨退变，并抑制促炎因子表达。综上，PHC2 是极具潜力的半月板组织工程生物材料，有望推动关节损伤修复再生治疗策略的临床转化。

使用设备

                                            Micro CT（型号：VENUS）（平生医疗科技）

                                                    影像软件：Avatar（平生医疗科技）