在受伤后通过手术植入人工移植物来修复高负荷结缔组织（例如韧带）具有挑战性，因为它们缺乏与宿主骨骼的生物整合以形成稳定的界面。近日，来自复旦大学的孙雪梅、陈培宁和彭慧胜团队提出了一种高性能螺旋复合纤维（HCF）韧带，方法是将排列的碳纳米管片包裹在聚酯纤维上。前交叉韧带重建手术表明，HCF移植物可以诱导有效的骨再生，从而使骨隧道缺损变窄。本工作允许通过一步手术在体内进行骨再生，而无需播种细胞或转化生长因子，从而为高性能人造组织开辟了一条途径。
相关论文“High-performance Artificial Ligament Made from Helical Polyester Fibers Wrapped with Aligned Carbon Nanotube Sheets”于2023年9月17日在线发表于杂志《Advanced Healthcare Materials》上。
1. 螺旋复合纤维的制备和表征
通过在直径约120 μm的PET纤维上均匀缠绕CNT片而获得螺旋复合纤维（图1c、d、g）。将多根初级复合纤维扭绞在一起后，得到次级螺旋纤维（图1e），相当于天然韧带中的胶原束。通过进一步扭转和折叠次级螺旋纤维成功制造了HCF移植物（图1b、f）。碳纳米管的典型直径约为10 nm；因此，纳米通道形成并表现出尺寸大多小于50 nm（图1h）。
图1 PET/CNT复合纤维组装成螺旋复合纤维(HCF)，以模仿天然韧带的分层结构
2. HCF作人工韧带进行大鼠ACL重建
为了评估HCF在体内的骨整合，研究者将这些纤维植入ACL重建模型中（图2a-c）。微计算机断层扫描图像显示，HCF植入2周后，胫骨隧道并未扩大，反而意外缩小了2.5%（图2d-f）。定量分析结果显示，第2周时，HCFs组的骨体积与总体积之比（BV/TV）和骨表面与总体积之比（BS/TV）均比裸螺旋PET纤维高1.5倍（图2g-h）。这些结果表明HCF可以强烈诱导新骨生长。
图2 使用HCF作为人工韧带进行大鼠ACL重建
3. HCF诱导骨整合的机械性能
然后，研究者通过将种植体拉出骨隧道来测量拔出力（图3a），结果表明HCF具有很强的骨整合能力（图3b-d）。计算得出的HCF对骨的粘附能几乎与断裂天然韧带所需的粘附能相同，并且远高于裸螺旋PET纤维移植物的粘附能（图3e），表明HCF比裸螺旋PET纤维更具成骨性。SEM显示，在HCF表面观察到一些新形成的骨碎片，而在裸露的螺旋PET纤维上观察到很少或没有组织（图3f）。拉曼光谱验证了拉出HCF表面期间的组织形成（图3g）。
图3 拉出试验显示HCF诱导的骨整合
4. 大鼠的组织学测定和运动恢复显示HCF的骨整合
而后，研究者进行了组织学测定，以了解HCF诱导的界面骨再生的生物过程。组织学染色切片显示，第2周时，新形成的骨骼在HCF和天然骨之间的界面区域再生。一些新形成的骨骼和胶原蛋白束开始在HCF之间的微米尺寸通道中生长（图4a-d）。特别是，HCF内新形成的骨和胶原蛋白束可以帮助这些移植物与天然骨建立牢固的连接。此外，大鼠能够以正常步态站立、跳跃、行走和奔跑，而不会跛行（图4e-f）。总之，HCF移植物具有很强的骨整合作用。
图4 大鼠的组织学测定和运动恢复显示HCF的骨整合
综上，通过模仿天然韧带的分层结构，本文引入了一种高性能的HCF人工韧带，以PET纤维为核心，以对齐的CNT片为鞘。与传统的人工韧带不同，这些HCF的CNT片材引入了纳米和微米尺度的独特通道，从而无需接种细胞或转化生长因子即可在体内进行骨整合。在大鼠体内植入2周后，HCF组的骨隧道令人惊讶地缩小了2.5%，而作为对照的裸螺旋PET纤维则扩大了>50%。此外，新形成的骨和胶原束可以在HCF周围和内部再生，而裸露的螺旋PET纤维和天然骨之间出现明显的间隙，进一步表明HCF具有很强的骨整合作用。最后，植入HCF的老鼠能够以正常步态站立、行走和跑步，不会跛行。这些新型HCF韧带可以使用工业包裹方法连续大规模生产用于实际应用。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202301610
