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  從古埃及文明開(kāi)始，手術(shù)縫線被人類廣泛用于各種手術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中。然而，現(xiàn)有的縫線材料普遍缺少監(jiān)測(cè)、干預(yù)和促進(jìn)傷口愈合的功能，并且其力學(xué)性質(zhì)與生物組織相差甚遠(yuǎn)。受人體肌腱中腱鞘結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，加拿大麥吉爾大學(xué)李劍宇課題組開(kāi)發(fā)了新的多功能手術(shù)縫線材料設(shè)計(jì)和制備方法，在體外測(cè)試及體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的效果均優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。

圖1 受人體肌腱啟發(fā)的多功能手術(shù)縫線設(shè)計(jì)。

  功能材料在縫線上的粘附和持久性是手術(shù)縫線為代表的纖維狀材料功能化的一大難題。同時(shí)堅(jiān)硬鋒利的縫線往往造成軟組織的損傷和磨損。基于此，李劍宇團(tuán)隊(duì)提出一種新型的高韌粘性水凝膠多功能超薄涂層。這種涂層由一層錨定網(wǎng)絡(luò)和一層韌性增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的雙層水凝膠構(gòu)成。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了手術(shù)縫線和水凝膠之間的超韌界面，保證了手術(shù)操作過(guò)程中涂層的穩(wěn)定性。

圖2 強(qiáng)韌的縫線-水凝膠界面。

  這種設(shè)計(jì)可應(yīng)用于各種水凝膠材料和縫線材料，包括聚乳酸-羥基乙酸共聚物 (PLGA), 膠原蛋白 (collagen)和尼龍 (nylon)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元模擬，他們進(jìn)一步揭示了水凝膠在纖維材料表面粘附和增韌機(jī)理。

圖3 新型縫線展示了更好的仿生物機(jī)械性質(zhì)。

  新型手術(shù)縫線在具有高強(qiáng)度機(jī)械性質(zhì)的同時(shí)，還擁有了接近于軟組織的表面機(jī)械性質(zhì)。水凝膠的天然潤(rùn)滑屬性使新型手術(shù)縫線可以極大地減少對(duì)生物組織的牽引和磨損，優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)縫線。

圖4 新型手術(shù)縫線的定制化和多功能化。

  并且，這種設(shè)計(jì)賦予了手術(shù)縫線功能化的各種可能。通過(guò)結(jié)合多種功能化材料，這種新型的手術(shù)縫線可以防止細(xì)菌感染，監(jiān)測(cè)傷口愈合狀況，并長(zhǎng)期精確釋放藥物。相較而言，傳統(tǒng)手術(shù)縫線的功能較為單一，通常只能用來(lái)縫合開(kāi)裂的傷口。

圖5 熒光縫線實(shí)現(xiàn)近紅外皮下成像。

  通過(guò)融合熒光納米顆粒，此新型熒光縫線還可用于近紅外成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮下傷口非侵入式監(jiān)測(cè)。

圖6 新型縫線在動(dòng)物體內(nèi)生物相容性和用于傷口縫合。

  為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)新型縫線的轉(zhuǎn)化潛力，研究團(tuán)隊(duì)還使用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)測(cè)試新型縫線的生物相容性。實(shí)驗(yàn)表明，新型手術(shù)縫線在動(dòng)物體內(nèi)顯示了優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)縫線的生物相容性。他們也進(jìn)一步展示了這種新型手術(shù)縫線可用于傷口縫合和促進(jìn)愈合。

  這種受肌腱啟發(fā)的多功能手術(shù)縫線成功地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)手術(shù)縫線、高韌水凝膠和功能材料的有機(jī)結(jié)合，為創(chuàng)傷監(jiān)測(cè)和護(hù)理提供了新的思路。這種材料設(shè)計(jì)也能用于其他手術(shù)器械、智能織物、可植入或可穿戴設(shè)備，以及軟體機(jī)器人的功能化。

  以上工作發(fā)表于最新一期Science Advances上 (DOI: 10.1126/sciadv.abc3012) 。論文第一作者為加拿大麥吉爾大學(xué)機(jī)械系博士生馬振威，合作者為魁北克大學(xué)馬冬玲教授團(tuán)隊(duì)和麥吉爾大學(xué)健康中心首席病理學(xué)家高祖華，通訊作者為麥吉爾大學(xué)機(jī)械系加拿大研究講席助理教授李劍宇。

  李劍宇教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型生物材料設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和機(jī)理研究，目前的研究方向包括生物材料力學(xué)、生物粘合劑、再生醫(yī)學(xué)、手術(shù)器械和智能設(shè)備開(kāi)發(fā)。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abc3012

  相關(guān)前期工作包括：

· 第一個(gè)高韌性生物粘附劑：Science 2017, Tough adhesives for diverse wet surfaces

· 基于高韌性生物粘附劑的主動(dòng)傷口敷料：Science Advances 2019, Bioinspired mechanically active adhesive dressings to accelerate wound closure

· 高韌性組織粘附的力學(xué)模擬和機(jī)理研究：Mechanics of Materials 2021, Tissue adhesion with tough hydrogels: Experiments and modeling

· 高韌性生物粘附劑的溶脹和斷裂行為的研究：ACS Macro Letters 2021, Scaling behavior of fracture properties of tough adhesive hydrogels