我们的膝关节里有一块像“缓冲垫”一样的软组织，叫半月板。它不仅能吸收走路、跑步时的冲击力，还能帮助关节液均匀分布，让关节面（也就是关节软骨）在运动时顺畅滑动、减少磨损。
基于此，南方科技大学吴德成、刘洪梅、北京大学第三医院余家阔研究团队在《American Chemical Society》杂志发表了“Meniscus-Inspired Self-Lubricating and Friction-Responsive Hydrogels for Protecting Articular Cartilage and Improving Exercise”揭示了受半月板启发的自润滑且摩擦响应型水凝胶，用于保护关节软骨并改善运动。
受半月板启发，作者开发了一种兼具自润滑与摩擦响应释药功能的可注射水凝胶。该水凝胶负载含双氯芬酸钠（DS）和卡托根宁（KGN）的纳米脂质体，在关节运动摩擦刺激下释放药物并形成润滑水化层，同步实现抗炎与软骨再生。材料具备优异力学性能、抗疲劳性及长效降解特性，体内实验证实其可显著改善大鼠运动功能并保护关节软骨，展现出治疗半月板损伤的广阔前景。
图一 HSPC脂质体-明胶水凝胶的构建与表征
关节软骨退化常与关节内摩擦增大和炎症密切相关。磷脂是滑液和软骨中的天然成分，能有效润滑关节、降低摩擦，同时有助于药物靶向递送和提高生物利用度，因此被视为治疗软骨和半月板损伤的理想材料。
作者选用氢化大豆磷脂（一种稳定、天然的磷脂）制备纳米脂质体。电镜观察显示，这些脂质体呈球形多层囊泡，平均粒径约183纳米，分散性良好。
为延长其在关节内的停留时间，作者将脂质体嵌入可注射明胶水凝胶中。明胶源自胶原，生物相容性好、抗原性低；通过转谷氨酰胺酶催化交联，可在体内原位形成凝胶。实验优化后确定：每克明胶加入10单位酶（凝胶时间约590秒，适合手术操作），并添加20毫摩尔磷脂脂质体，此时水凝胶力学性能最佳：压缩模量和强度最高。
共聚焦显微镜证实，脂质体在水凝胶中均匀分布且结构完整；冷冻电镜进一步显示，复合水凝胶内部确实嵌有未破坏的脂质体，而普通电镜因需冷冻干燥，脂质体形态略有变形。
这一设计为后续实现摩擦响应释药、自润滑与软骨修复一体化奠定了材料基础。
图二 术后第6周和第12周水凝胶治疗大鼠的步态分析
严重关节损伤的发生不仅会破坏关节功能、削弱肌肉力量，还会影响足部功能。
作者将水凝胶注射到大鼠的半月板切除损伤部位并通过术后第6周和第12周的步态分析（）评估其改善运动性能的疗效。在第6周时，磷酸盐缓冲液对照组的左后足平均接触面积显著小于假手术组。然而，各水凝胶治疗组的左后足平均接触面积与假手术组相似，这表明注射水凝胶对关节具有保护作用。随着时间的推移，到第12周时，磷酸盐缓冲液对照组、纯明胶凝胶组以及仅含脂质体的明胶凝胶组的左后足平均接触面积较假手术组显著减小。相比之下，负载双药的水凝胶治疗组表现出显著更大的左后足平均接触面积，其效果与假手术组相当，表明该双药水凝胶展现出更优越的关节保护效果。
推进时间是指动物向前移动所需的时间。推进时间的缩短意味着动物肌肉力量的增强和身体协调性的改善。在第6周时，各单药及双药治疗组与假手术组的推进时间均短于磷酸盐缓冲液对照组。随着时间的推移，到第12周时，负载双药的水凝胶治疗组表现出显著更短的推进时间，其数值较磷酸盐缓冲液对照组大幅降低且结果与假手术组相当。
总体而言，步态分析证实，注射设计的水凝胶后，运动功能得到了一致性恢复，其中负载双药的水凝胶效果尤为显著。
图三 术后第12周水凝胶治疗大鼠的组织学染色
除了步态分析和影像学评估外，作者还采用了苏木精 - 伊红、番红 O-固绿以及甲苯胺蓝等组织学染色技术以评估关节软骨的组织学变化。
假手术组呈现出光滑的软骨表面、完整的软骨结构以及典型的细胞形态。相比之下，磷酸盐缓冲液对照组的软骨表面不连续且软骨细胞数量减少。此外，与磷酸盐缓冲液对照组相比，所有水凝胶治疗组在软骨结构、软骨细胞密度、基质染色以及潮线完整性方面均表现出不同程度的改善。单药治疗组（分别负载抗炎药或再生药）的软骨病变虽有明显好转，但仍存在明显的表面磨损。而双药联合治疗组（同时负载两种药物）则表现出更轻微的表面破坏和分层现象，且甲苯胺蓝和番红 O 染色更深。
这些结果表明，与单一的润滑干预或药物干预相比，润滑与药物联合干预在保护软骨免受退化方面展现出更优越的疗效。
总结
该HKDG水凝胶通过仿生半月板的结构与功能，巧妙整合了自润滑、摩擦响应释药、抗炎与促再生等多重特性。其优异的可注射性、力学稳定性、抗疲劳性和可控降解行为，使其能够适应关节动态微环境；体内实验进一步证实，原位注射后可有效减轻炎症、保护关节软骨并显著改善运动功能。这一多功能平台不仅模拟了天然半月板的润滑与缓冲作用，更展现出在半月板修复与骨关节炎防治中的广阔应用潜力。
文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10139
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