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  從古埃及文明開始，手術(shù)縫線被人類廣泛用于各種手術(shù)應用場景當中。然而，現(xiàn)有的縫線材料普遍缺少監(jiān)測、干預和促進傷口愈合的功能，并且其力學性質(zhì)與生物組織相差甚遠。受人體肌腱中腱鞘結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，加拿大麥吉爾大學李劍宇課題組開發(fā)了新的多功能手術(shù)縫線材料設計和制備方法，在體外測試及體內(nèi)動物實驗中的效果均優(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)縫線設計。

  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。同時堅硬鋒利的縫線往往造成軟組織的損傷和磨損�；诖耍顒τ顖F隊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)絡和一層韌性增強網(wǎng)絡的雙層水凝膠構(gòu)成。這種設計實現(xiàn)了手術(shù)縫線和水凝膠之間的超韌界面，保證了手術(shù)操作過程中涂層的穩(wěn)定性。

圖2 強韌的縫線-水凝膠界面。

  這種設計可應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)。通過實驗和有限元模擬，他們進一步揭示了水凝膠在纖維材料表面粘附和增韌機理。

圖3 新型縫線展示了更好的仿生物機械性質(zhì)。

  新型手術(shù)縫線在具有高強度機械性質(zhì)的同時，還擁有了接近于軟組織的表面機械性質(zhì)。水凝膠的天然潤滑屬性使新型手術(shù)縫線可以極大地減少對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，這種設計賦予了手術(shù)縫線功能化的各種可能。通過結(jié)合多種功能化材料，這種新型的手術(shù)縫線可以防止細菌感染，監(jiān)測傷口愈合狀況，并長期精確釋放藥物。相較而言，傳統(tǒng)手術(shù)縫線的功能較為單一，通常只能用來縫合開裂的傷口。

圖5 熒光縫線實現(xiàn)近紅外皮下成像。

  通過融合熒光納米顆粒，此新型熒光縫線還可用于近紅外成像，實現(xiàn)對皮下傷口非侵入式監(jiān)測。

圖6 新型縫線在動物體內(nèi)生物相容性和用于傷口縫合。

  為了進一步評價新型縫線的轉(zhuǎn)化潛力，研究團隊還使用動物實驗測試新型縫線的生物相容性。實驗表明，新型手術(shù)縫線在動物體內(nèi)顯示了優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)縫線的生物相容性。他們也進一步展示了這種新型手術(shù)縫線可用于傷口縫合和促進愈合。

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

  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機械系博士生馬振威，合作者為魁北克大學馬冬玲教授團隊和麥吉爾大學健康中心首席病理學家高祖華，通訊作者為麥吉爾大學機械系加拿大研究講席助理教授李劍宇。

  李劍宇教授團隊長期致力于新型生物材料設計開發(fā)和機理研究，目前的研究方向包括生物材料力學、生物粘合劑、再生醫(yī)學、手術(shù)器械和智能設備開發(fā)。

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

  相關前期工作包括：

· 第一個高韌性生物粘附劑：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模擬和機理研究：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