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中国科大俞书宏院士团队研制新型仿生手术缝线,还可避免缝线二次割伤伤口

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DeepTech深科技 2021-02-23 23:13

众所周知,医用材料具有高附加值的特点。从目前市场情况来看,由于一些高端医用材料较多依赖进口,所以通常有比较高的定价。对于中国来说,发展国产高端医用材料产业、并取得相应的自主知识产权迫在眉睫。


水凝胶,具有较高的水含量和生物相容性。水凝胶纤维,是一种可作为结构性生物医学材料使用的材料。为解决伤口敷料、组织工程和表面涂层等医学方面的问题,科学家们从生物和生物医学应用等方面,对水凝胶的用途进行了广泛且深入的探索,以期发现水凝胶材料和纤维在生物医学领域能否更进一步地发挥作用。

不过,由于水凝胶本身的机械性能有限,尽管研究人员为改善这方面性能做了各种努力,但还是没有找到具有优良强度和韧度性能、以及能成功用作结构性生物医学材料比如外科缝合线的水凝胶纤维。

莲花是一种多年生水生植物,在亚洲分布广泛。和莲花相关的比如“藕断丝连”这个具有古老历史的成语经常被人引用,在它背后也隐藏着不容忽视的科学现象。


1 月,中国科学技术大学俞书宏院士团队成功研制出一种可用于手术缝线的仿莲丝细菌纤维素水凝胶纤维。该团队成员正是从“藕断丝连”这一自然现象中发现规律,并进一步探究莲丝纤维本身的微观结构和其存在的力学性能。

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图|仿生水凝胶纤维的制备、结构分析与应用(来源:俞书宏)

从上图可知,莲花花朵和叶子由叶柄支撑,莲藕和叶柄具有出色的抗断裂性。而“藕断丝连”这种现象可以归因于莲藕和叶柄中被称为莲藕纤维的独特螺旋结构。一般来说,材料的特性与它的结构密切相关。莲藕纤维因为这种螺旋结构而极易拉伸,且可以承受较大的应变而不会断裂。

基于此,俞书宏团队在实验中将细菌纤维素(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)。

水凝胶纤维(BHF)的结构呈螺旋形,由三维纳米纤维网络构成,具有独特的力学性能。它与高分子链形成的水凝胶有很大的不同。

在试验过程中,研究人员首先准备好预处理过后的细菌纤维素(BC)水凝胶,然后沿截面方向对其施加恒定切向力。这种操作让水凝胶两侧受到了相反的切向力,所以它发生了局部塑性变形。

切向力将纤维素纳米纤维三维网络中的氢键破坏掉以后,三维网络便发生了滑动和变形。研究人员最后再撤除切向力,这时候纳米纤维之间的氢键发生了重组,纤维的螺旋结构也能被很好地固定下来。完成这一系列步骤之后,就能制得具有仿生螺旋结构特点的高性能细菌纤维素水凝胶纤维。

由于这种仿生螺旋结构发挥了作用,水凝胶纤维(BHF)能够达到约 116.3 MJm-3 的超强韧性,这是未经处理的细菌纤维素(BC)的韧性的 9 倍多。同时,三维纳米纤维网络给予水凝胶纤维(BHF)超过 90MPa 的强度。

所以,该材料具备纤维素纳米纤维网络和仿生螺旋结构两种结构的特性,表现出了可拉伸、不回弹的优秀力学性能,能给高端手术缝线领域的产品应用提供非常好的铺垫。

相比传统棉线或聚合物缝线,水凝胶纤维缝线因具有高含水量、高生物相容性、低刺激性和低摩擦阻力等优点,能更好地保护受损组织、促进伤口愈合和减少不良反应。

与高模量、高硬度的商业手术缝线相比,它可通过调节螺旋度、具有和软组织类似模量的水凝胶纤维(BHF),由于能发挥出较强的可拉伸性和能量耗散效果,因此能吸收来自伤口周围组织变形的能量,并随着伤口组织的变形产生一定程度上的变形,还可避免缝线二次割伤伤口。

此外,纳米纤维水凝胶还有一种多孔结构,这能保证水凝胶纤维在有效吸附抗生素或抗炎药物后持续在伤口处进行释放,起到加速伤口愈合和抗炎等作用。

因此,水凝胶纤维在未来的医用材料应用领域方面或能发挥出更多的潜力。

据悉,俞书宏团队的相关研究成果以“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。

图 | 相关论文(来源:Nano Letters)

据中国科学技术大学官网资料显示,53 岁的俞书宏是中国科学技术大学化学与材料科学学院教授、合肥微尺度物质科学国家研究中心纳米材料与化学研究部主任、中国科学院强磁场科学中心副主任,并于 2019 年当选中国科学院院士。

此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。

-End-

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c03707

https://news.ustc.edu.cn/info/1055/73892.htm

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