在受傷后通過手術(shù)植入人工移植物來修復(fù)高負(fù)荷結(jié)締組織（例如韌帶）具有挑戰(zhàn)性，因為它們?nèi)狈εc宿主骨骼的生物整合以形成穩(wěn)定的界面。近日，來自復(fù)旦大學(xué)的孫雪梅、陳培寧和彭慧勝團隊提出了一種高性能螺旋復(fù)合纖維（HCF）韌帶，方法是將排列的碳納米管片包裹在聚酯纖維上。前交叉韌帶重建手術(shù)表明，HCF移植物可以誘導(dǎo)有效的骨再生，從而使骨隧道缺損變窄。本工作允許通過一步手術(shù)在體內(nèi)進(jìn)行骨再生，而無需播種細(xì)胞或轉(zhuǎn)化生長因子，從而為高性能人造組織開辟了一條途徑。
相關(guān)論文“High-performance Artificial Ligament Made from Helical Polyester Fibers Wrapped with Aligned Carbon Nanotube Sheets”于2023年9月17日在線發(fā)表于雜志《Advanced Healthcare Materials》上。
1. 螺旋復(fù)合纖維的制備和表征
通過在直徑約120 μm的PET纖維上均勻纏繞CNT片而獲得螺旋復(fù)合纖維（圖1c、d、g）。將多根初級復(fù)合纖維扭絞在一起后，得到次級螺旋纖維（圖1e），相當(dāng)于天然韌帶中的膠原束。通過進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)和折疊次級螺旋纖維成功制造了HCF移植物（圖1b、f）。碳納米管的典型直徑約為10 nm；因此，納米通道形成并表現(xiàn)出尺寸大多小于50 nm（圖1h）。
圖1 PET/CNT復(fù)合纖維組裝成螺旋復(fù)合纖維(HCF)，以模仿天然韌帶的分層結(jié)構(gòu)
2. HCF作人工韌帶進(jìn)行大鼠ACL重建
為了評估HCF在體內(nèi)的骨整合，研究者將這些纖維植入ACL重建模型中（圖2a-c）。微計算機斷層掃描圖像顯示，HCF植入2周后，脛骨隧道并未擴大，反而意外縮小了2.5%（圖2d-f）。定量分析結(jié)果顯示，第2周時，HCFs組的骨體積與總體積之比（BV/TV）和骨表面與總體積之比（BS/TV）均比裸螺旋PET纖維高1.5倍（圖2g-h）。這些結(jié)果表明HCF可以強烈誘導(dǎo)新骨生長。
圖2 使用HCF作為人工韌帶進(jìn)行大鼠ACL重建
3. HCF誘導(dǎo)骨整合的機械性能
然后，研究者通過將種植體拉出骨隧道來測量拔出力（圖3a），結(jié)果表明HCF具有很強的骨整合能力（圖3b-d）。計算得出的HCF對骨的粘附能幾乎與斷裂天然韌帶所需的粘附能相同，并且遠(yuǎn)高于裸螺旋PET纖維移植物的粘附能（圖3e），表明HCF比裸螺旋PET纖維更具成骨性。SEM顯示，在HCF表面觀察到一些新形成的骨碎片，而在裸露的螺旋PET纖維上觀察到很少或沒有組織（圖3f）。拉曼光譜驗證了拉出HCF表面期間的組織形成（圖3g）。
圖3 拉出試驗顯示HCF誘導(dǎo)的骨整合
4. 大鼠的組織學(xué)測定和運動恢復(fù)顯示HCF的骨整合
而后，研究者進(jìn)行了組織學(xué)測定，以了解HCF誘導(dǎo)的界面骨再生的生物過程。組織學(xué)染色切片顯示，第2周時，新形成的骨骼在HCF和天然骨之間的界面區(qū)域再生。一些新形成的骨骼和膠原蛋白束開始在HCF之間的微米尺寸通道中生長（圖4a-d）。特別是，HCF內(nèi)新形成的骨和膠原蛋白束可以幫助這些移植物與天然骨建立牢固的連接。此外，大鼠能夠以正常步態(tài)站立、跳躍、行走和奔跑，而不會跛行（圖4e-f）。總之，HCF移植物具有很強的骨整合作用。
圖4 大鼠的組織學(xué)測定和運動恢復(fù)顯示HCF的骨整合
綜上，通過模仿天然韌帶的分層結(jié)構(gòu)，本文引入了一種高性能的HCF人工韌帶，以PET纖維為核心，以對齊的CNT片為鞘。與傳統(tǒng)的人工韌帶不同，這些HCF的CNT片材引入了納米和微米尺度的獨特通道，從而無需接種細(xì)胞或轉(zhuǎn)化生長因子即可在體內(nèi)進(jìn)行骨整合。在大鼠體內(nèi)植入2周后，HCF組的骨隧道令人驚訝地縮小了2.5%，而作為對照的裸螺旋PET纖維則擴大了>50%。此外，新形成的骨和膠原束可以在HCF周圍和內(nèi)部再生，而裸露的螺旋PET纖維和天然骨之間出現(xiàn)明顯的間隙，進(jìn)一步表明HCF具有很強的骨整合作用。最后，植入HCF的老鼠能夠以正常步態(tài)站立、行走和跑步，不會跛行。這些新型HCF韌帶可以使用工業(yè)包裹方法連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)用于實際應(yīng)用。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202301610
