受“藕断丝连”启发!中科大俞书宏院士团队研制出新型仿生手术缝线

医用材料是一类具有高附加值的材料,目前市面上的高端医用材料大多依赖进口,价格十分昂贵,因此发展具有自主知识产权的国产高端医用材料迫在眉睫。近期,中国科学技术大学俞书宏院士团队基于“藕断丝连”这一自然现象,深入探究了莲丝纤维的微观结构与力学性能,并受此启发研制出了一种可用于手术缝线的仿莲丝细菌纤维素水凝胶纤维(图1)。


研究人员将细菌纤维素(BC)水凝胶加工成具有仿莲丝微米螺旋结构的水凝胶纤维(BHF),该水凝胶纤维兼具较高的强度和韧性,同时具有优异的亲水性和生物相容性,此外,仿生螺旋结构还赋予了该材料与人体皮肤相近的弹性模量,在伤口处受力变形时,BHF可有效缓冲并吸收能量,并与人体组织实现同步形变,从而避免割伤伤口造成二次伤害。相对于传统的棉线或聚合物线,水凝胶纤维缝线具有高生物相容性、高含水量、低刺激性和低摩擦阻力等特点,在保护受损组织,促进伤口愈合以及减少不良反应方面都具有显著的优势,因此有希望成为下一代新型高端手术缝线。相关研究成果以“Bio-Inspired Lotus-Fiber-like Spiral Hydrogel Bacterial Cellulose Fibers”为题发表在Nano Letters上。目前该材料相关专利已审核通过并获得授权。


与高分子链形成的水凝胶不同,具有螺旋结构的BHF是一种由三维纳米纤维网络构成的水凝胶,因此具有独特的力学性能。研究人员沿截面方向对预处理过的BC水凝胶施加恒定的切向力,让水凝胶的两侧受到相反的切向力,从而发生局部塑性变形,导致水凝胶螺旋扭曲。在BC水凝胶两侧的塑性变形过程中,纤维素纳米纤维三维网络中的氢键被切向力破坏,三维网络产生滑动和变形。撤除切向力后,纳米纤维之间的氢键发生重组,纤维的螺旋结构被固定,由此制得了具有仿生螺旋结构的高性能细菌纤维素水凝胶纤维。因具有这种仿生螺旋结构,BHF的韧性可以达到约116.3 MJ m-3,是未处理的BC水凝胶纤维的9倍以上,同时,细菌纤维素水凝胶的三维纳米纤维网络使BHF具有超过90 MPa的高强度。其特有的纤维素纳米纤维网络和仿生螺旋结构为该材料带来了独特的“可拉伸、不回弹”的力学性能,为其在高端手术缝线领域的应用打下了良好的基础。



图1.仿生水凝胶纤维的制备、结构分析与应用


BHF同时具有优异的力学性能和生物相容性,是一种非常好的医用材料,特别是用于外科手术缝合线。与高模量高硬度的商业手术缝线相比,BHF具有与软组织类似的模量(可通过控制螺旋度调节),其出色的可拉伸性和能量耗散效果使其能够吸收来自伤口周围组织变形的能量,且能随着伤口组织的变形产生一定的变形,有效保护伤口不被缝线二次割伤,因此是一种理想的手术缝合线。另外,纳米纤维水凝胶的多孔结构还使BHF能够吸附抗生素或抗炎药物等,并持续在伤口处释放,从而起到抗炎和加速伤口愈合的作用。基于这种仿生设计,BHF有望在更多的医用材料领域上展现出其独特的应用潜力。


这项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心、合肥综合性国家科学中心等资助。

关键字:纤维 纤维素水凝胶纤维
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