中國(guó)科大研制新型仿生手術(shù)縫線(xiàn)
?醫(yī)用材料是一類(lèi)具有高附加值的材料，目前市面上的高端醫(yī)用材料大多依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格十分昂貴，因此發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)高端醫(yī)用材料迫在眉睫。近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)基于“藕斷絲連”這一自然現(xiàn)象，深入探究了蓮絲纖維的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，并受此啟發(fā)研制出了一種可用于手術(shù)縫線(xiàn)的仿蓮絲細(xì)菌纖維素水凝膠纖維（圖1）。
研究人員將細(xì)菌纖維素（BC）水凝膠加工成具有仿蓮絲微米螺旋結(jié)構(gòu)的水凝膠纖維（BHF），該水凝膠纖維兼具較高的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)具有優(yōu)異的親水性和生物相容性，此外，仿生螺旋結(jié)構(gòu)還賦予了該材料與人體皮膚相近的彈性模量，在傷口處受力變形時(shí)，BHF可有效緩沖并吸收能量，并與人體組織實(shí)現(xiàn)同步形變，從而避免割傷傷口造成二次傷害。相對(duì)于傳統(tǒng)的棉線(xiàn)或聚合物線(xiàn)，水凝膠纖維縫線(xiàn)具有高生物相容性、高含水量、低刺激性和低摩擦阻力等特點(diǎn)，在保護(hù)受損組織，促進(jìn)傷口愈合以及減少不良反應(yīng)方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此有希望成為下一代新型高端手術(shù)縫線(xiàn)。相關(guān)研究成果以“Bio-Inspired Lotus-Fiber-like Spiral Hydrogel Bacterial Cellulose Fibers”為題發(fā)表在Nano Letters上。目前該材料相關(guān)專(zhuān)利已審核通過(guò)并獲得授權(quán)。
與高分子鏈形成的水凝膠不同，具有螺旋結(jié)構(gòu)的BHF是一種由三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的水凝膠，因此具有獨(dú)特的力學(xué)性能。研究人員沿截面方向?qū)︻A(yù)處理過(guò)的BC水凝膠施加恒定的切向力，讓水凝膠的兩側(cè)受到相反的切向力，從而發(fā)生局部塑性變形，導(dǎo)致水凝膠螺旋扭曲。在BC水凝膠兩側(cè)的塑性變形過(guò)程中，纖維素納米纖維三維網(wǎng)絡(luò)中的氫鍵被切向力破壞，三維網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生滑動(dòng)和變形。撤除切向力后，納米纖維之間的氫鍵發(fā)生重組，纖維的螺旋結(jié)構(gòu)被固定，由此制得了具有仿生螺旋結(jié)構(gòu)的高性能細(xì)菌纖維素水凝膠纖維。因具有這種仿生螺旋結(jié)構(gòu)，BHF的韌性可以達(dá)到約116.3 MJ m-3，是未處理的BC水凝膠纖維的9倍以上，同時(shí)，細(xì)菌纖維素水凝膠的三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)使BHF具有超過(guò)90 MPa的高強(qiáng)度。其特有的纖維素納米纖維網(wǎng)絡(luò)和仿生螺旋結(jié)構(gòu)為該材料帶來(lái)了獨(dú)特的“可拉伸、不回彈”的力學(xué)性能，為其在高端手術(shù)縫線(xiàn)領(lǐng)域的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。
圖1. 仿生水凝膠纖維的制備、結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用
BHF同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性，是一種非常好的醫(yī)用材料，特別是用于外科手術(shù)縫合線(xiàn)。與高模量高硬度的商業(yè)手術(shù)縫線(xiàn)相比，BHF具有與軟組織類(lèi)似的模量（可通過(guò)控制螺旋度調(diào)節(jié)），其出色的可拉伸性和能量耗散效果使其能夠吸收來(lái)自傷口周?chē)M織變形的能量，且能隨著傷口組織的變形產(chǎn)生一定的變形，有效保護(hù)傷口不被縫線(xiàn)二次割傷，因此是一種理想的手術(shù)縫合線(xiàn)。另外，納米纖維水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)還使BHF能夠吸附抗生素或抗炎藥物等，并持續(xù)在傷口處釋放，從而起到抗炎和加速傷口愈合的作用?；谶@種仿生設(shè)計(jì)，BHF有望在更多的醫(yī)用材料領(lǐng)域上展現(xiàn)出其獨(dú)特的應(yīng)用潛力。
這項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心等資助。
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03707
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，科研部）
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