中國科大研制新型仿生手術縫線
?醫(yī)用材料是一類具有高附加值的材料，目前市面上的高端醫(yī)用材料大多依賴進口，價格十分昂貴，因此發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)高端醫(yī)用材料迫在眉睫。近期，中國科學技術大學俞書宏院士團隊基于“藕斷絲連”這一自然現(xiàn)象，深入探究了蓮絲纖維的微觀結構與力學性能，并受此啟發(fā)研制出了一種可用于手術縫線的仿蓮絲細菌纖維素水凝膠纖維（圖1）。
研究人員將細菌纖維素（BC）水凝膠加工成具有仿蓮絲微米螺旋結構的水凝膠纖維（BHF），該水凝膠纖維兼具較高的強度和韌性，同時具有優(yōu)異的親水性和生物相容性，此外，仿生螺旋結構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，BHF可有效緩沖并吸收能量，并與人體組織實現(xiàn)同步形變，從而避免割傷傷口造成二次傷害。相對于傳統(tǒng)的棉線或聚合物線，水凝膠纖維縫線具有高生物相容性、高含水量、低刺激性和低摩擦阻力等特點，在保護受損組織，促進傷口愈合以及減少不良反應方面都具有顯著的優(yōu)勢，因此有希望成為下一代新型高端手術縫線。相關研究成果以“Bio-Inspired Lotus-Fiber-like Spiral Hydrogel Bacterial Cellulose Fibers”為題發(fā)表在Nano Letters上。目前該材料相關專利已審核通過并獲得授權。
與高分子鏈形成的水凝膠不同，具有螺旋結構的BHF是一種由三維納米纖維網(wǎng)絡構成的水凝膠，因此具有獨特的力學性能。研究人員沿截面方向對預處理過的BC水凝膠施加恒定的切向力，讓水凝膠的兩側受到相反的切向力，從而發(fā)生局部塑性變形，導致水凝膠螺旋扭曲。在BC水凝膠兩側的塑性變形過程中，纖維素納米纖維三維網(wǎng)絡中的氫鍵被切向力破壞，三維網(wǎng)絡產(chǎn)生滑動和變形。撤除切向力后，納米纖維之間的氫鍵發(fā)生重組，纖維的螺旋結構被固定，由此制得了具有仿生螺旋結構的高性能細菌纖維素水凝膠纖維。因具有這種仿生螺旋結構，BHF的韌性可以達到約116.3 MJ m-3，是未處理的BC水凝膠纖維的9倍以上，同時，細菌纖維素水凝膠的三維納米纖維網(wǎng)絡使BHF具有超過90 MPa的高強度。其特有的纖維素納米纖維網(wǎng)絡和仿生螺旋結構為該材料帶來了獨特的“可拉伸、不回彈”的力學性能，為其在高端手術縫線領域的應用打下了良好的基礎。
圖1. 仿生水凝膠纖維的制備、結構分析與應用
BHF同時具有優(yōu)異的力學性能和生物相容性，是一種非常好的醫(yī)用材料，特別是用于外科手術縫合線。與高模量高硬度的商業(yè)手術縫線相比，BHF具有與軟組織類似的模量（可通過控制螺旋度調節(jié)），其出色的可拉伸性和能量耗散效果使其能夠吸收來自傷口周圍組織變形的能量，且能隨著傷口組織的變形產(chǎn)生一定的變形，有效保護傷口不被縫線二次割傷，因此是一種理想的手術縫合線。另外，納米纖維水凝膠的多孔結構還使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。基于這種仿生設計，BHF有望在更多的醫(yī)用材料領域上展現(xiàn)出其獨特的應用潛力。
這項研究受到國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創(chuàng)新中心、合肥綜合性國家科學中心等資助。
論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03707
（合肥微尺度物質科學國家研究中心，化學與材料科學學院，科研部）
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