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圖 1 文章封面圖

  角膜是眼球最外層的透明組織，它幫助聚焦光線，保護(hù)眼睛的組織和結(jié)構(gòu)。同種異體角膜移植是治療角膜疾病的首選，但全球眼庫資源嚴(yán)重短缺，全球尤其是發(fā)展中國家供不應(yīng)求。

  BNC除了常見的優(yōu)異理化性質(zhì)外，還具有一定的柔韌性和透明性，這使得其在角膜移植方面具有巨大潛力；同時BNC的形狀可控，具有一定的順應(yīng)性，該順應(yīng)性可以使BNC很好地貼附于眼表，適應(yīng)眼表的圓頂型形狀。該課題組前期通過研究，自主開發(fā)的一款水平轉(zhuǎn)鼓生物反應(yīng)器（中國專利ZL201210014383.9）不僅極大地提高了BNC的生產(chǎn)效率，而且與傳統(tǒng)的淺盤靜態(tài)發(fā)酵技術(shù)相比，該轉(zhuǎn)鼓動態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的BNC具有各向異性的力學(xué)性能和更高的透光率（Carbohydrate Polymers, 2019, DOI:10.1016/j.carbpol.2019.01.072)。然而，由于BNC在動態(tài)發(fā)酵過程中受到剪切力的影響，致使其網(wǎng)絡(luò)疏松、力學(xué)性能較差；而且與天然角膜相比，其透明度也沒有100%滿足要求，因此現(xiàn)有BNC的性能尚不足以在人工角膜移植中應(yīng)用。

  HA具有優(yōu)異的透明度、潤滑性和保濕性，但其力學(xué)性能較差，體內(nèi)易降解。為了解決HA存在的問題，一般使用化學(xué)交聯(lián)延長HA在體內(nèi)的壽命。BDDE具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和在醫(yī)療器械中長達(dá)15年的安全使用記錄，其交聯(lián)原理是在弱堿性條件下，分子兩端的環(huán)氧基優(yōu)先與HA主鏈中最容易接近的伯醇反應(yīng)，從而將HA分子鏈以醚鍵相連（交聯(lián)反應(yīng)示意見圖2）。最近的研究表明將BNC和HA以BDDE交聯(lián)后的復(fù)合膜在傷口護(hù)理方面具有巨大潛力。然而，經(jīng)BDDE交聯(lián)的BNC/HA復(fù)合膜尚未研究透明性和角膜細(xì)胞的相容性，也尚未開發(fā)作為人工角膜，其在眼部應(yīng)用的可行性未知。

圖 2 復(fù)合人工角膜的交聯(lián)反應(yīng)示意圖

圖 3 復(fù)合人工角膜制備流程圖

  該研究結(jié)果表明，在保證BNC三維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變的情況下，HA的引入增加了納米纖維的直徑，膜表面孔隙變小（圖4）；HA的引入也使BNC的透光率最大提高了40%，肉眼可清晰看到膜底部放置的東華大學(xué)彩色校徽（圖5）；在BDDE的作用下，BNC?BNC、BNC?HA和HA?HA在復(fù)合膜中發(fā)生相互作用。醚鍵的存在使復(fù)合膜的最大拉伸強(qiáng)度在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)方向和軸向上分別提高了2.1倍和2.7倍，復(fù)合膜的爆破壓也有一定程度的提高（圖6），同時復(fù)合人工角膜還具備一定的抗縫合性（圖7），縫合最大力接近人羊膜的縫合力（0.11 N），這些性能在保持了轉(zhuǎn)鼓生產(chǎn)的BNC的各向異性前提下進(jìn)一步滿足了臨床對人工角膜的力學(xué)要求。對復(fù)合膜進(jìn)行含水量和失水率測試，結(jié)果表明所有復(fù)合膜在保持高含水的狀態(tài)下保水性能明顯提高（表1和圖8），這表明其能滿足角膜在眼表的濕潤要求。體外培養(yǎng)兔角膜基質(zhì)細(xì)胞（RCSCs）的結(jié)果表明，所有樣品均能支持RCSCs在其表面的黏附和增殖，細(xì)胞形態(tài)正常，材料具有良好的細(xì)胞相容性（圖9）。以上結(jié)果均顯示所制備的人工角膜不僅安全，而且能夠滿足臨床對人工角膜的要求。

圖 7 不同濃度的HA制備的BNC/HA復(fù)合膜的縫合強(qiáng)度（*：0.01 < P < 0.05，**：0.001 < P < 0.01，***：P < 0.001。單個直方圖上方的*表示與BNC在同一方向上的顯著性差異）

  論文第一作者為東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院碩士研究生羅宇樺，通訊作者為細(xì)菌納米纖維制造及復(fù)合技術(shù)科研基地的洪楓教授。該研究得到了國家先進(jìn)功能纖維創(chuàng)新中心和海南省重點研發(fā)項目的資助。

  全文下載鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c01052