麥吉爾大學李劍宇《Science Advances》受生物啟發的堅硬凝膠護套，可實現強大而多功能的表面功能化

非金非土非木

關注 2021年4月13日 14:42

瀏覽：2144

【科研摘要】

縫合線遍布外科手術 ，但是其性能受到與組織的機械不匹配以及缺乏先進功能的限制。現有的修改策略會導致縫線的整體性能下降，或者導致易破裂或分層的薄涂層。受腱肌腱鞘的啟發，最近， 麥吉爾大學 李劍宇助理教授 團隊 在《 Science Advances 》上發表了題為 Bioinspired tough gel sheath for robust and versatile surface functionalization 的論文，團隊報告了一種多功能策略，可對基于纖維的設備（例如縫合線）進行功能化。這種策略 將手術縫合線，堅硬的凝膠護套和各種功能材料無縫地結合在一起。強大的界面附著力（ > 2000 J m ^-2 ）表現出強大的改性能力。

與組織連接時，縫合線的表面剛度，摩擦力和阻力可以顯著降低，而不會影響拉伸強度。然后介紹了用于預防感染，傷口監測，藥物輸送和近紅外成像的多功能縫合 線。該平臺技術適用于其他基于纖維的設備，預計會影響從傷口處理到智能紡織品的廣泛技術領域。

【主圖導讀】

圖 1 TGS縫合線的生物啟發設計。 （ A）肌腱和（B）TGS縫合線的結構和材料設計示意圖。（C）TGS縫合線和（D）縫合線-鞘界面的放大電子掃描圖像。比例尺100（C）和25μm（D）。（E）TGS縫線的明場圖像。比例尺，500μm。（F）使用TGS縫線在豬皮膚上連續縫合。比例尺，1厘米。

圖 2 TGS和縫合線的牢固附著力。 從用聚乳酸 910縫合線和不同水凝膠形成的凝膠護套縫合線的拉出試驗[插入（A）]中測量的代表性力-位移曲線（A）和粘附能（B）。（C）附著力與NaOH處理時間的關系。（D）歸一化粘附能（Γ/Γ ₀ ）的FEM結果，該能量隨鞘厚度和縫合線半徑之比（r _g /r _s ）的變化而變化。TGS縫合線的牽伸試驗（E）的力位移曲線（E）和粘著能（F）包括各種縫合線材料，包括聚乳酸910（PLGA），平腸和尼龍。

圖 3改進的TGS縫合線的生物力學性能。 （ A）原始縫合線和TGS縫合線（polyglactin 910）的應力-應變曲線。（B）在TGS縫合線表面上測量的代表性微壓痕力-壓痕深度曲線。（C）組織阻力測試的示意圖。（D）原始和TGS縫合線的代表性阻力力-位移曲線。（E）與各種組織（心臟，皮膚和肝臟）相接的縫合線（原始或TGS）的阻力系數。（F）放置在關節軟骨上的縫線的離體摩擦試驗示意圖，其中PDMS用作基底。（G）和計算出的摩擦系數（H）。

圖 4通用的TGS縫線功能化。 （ A）接種到原始或TGS縫合線上的細菌（銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌）的活（綠色）/死（紅色）測定的代表性熒光圖像。比例尺，10μm。（B）原始或TGS縫合線上的細菌附著總數。（C）在裝有BZK的TGS縫合線上殺死了超過99％的細菌。浸入具有不同pH值的溶液中的pH敏感TGS縫線的代表性圖像（D）和定量變色測定（以灰度顯示）（E）。圖片來源：麥吉爾大學馬振偉。（F）FITC-BSA從原始或TGS縫合線的7天標準化累積釋放曲線。（G）原始或TGS縫合線的BSA裝載量 。

圖 5用于NIR生物成像的熒光縫合線。 （ A ）mSiO ₂ @ PbS/CdS-Fe ₃ O ₄ 熒光NP的代表性透射電子顯微鏡（TEM ） 圖像。比例尺，50 nm。（B）在NIR-II窗口中mSiO ₂ @ PbS/CdS-Fe ₃ O ₄ 的熒光發射光譜。（C）體外實驗設置的示意圖，用于表征豬組織后熒光NP加載的TGS縫合線的光致發光滲透。（D）在不同厚度的組織下，TGS縫線的代表性熒光圖像（上圖）和歸一化強度（下圖）。

圖 6原始和TGS縫合線的體內生物相容性和傷口閉合。 （ A）縫線結皮下植入的示意圖。在第7天和第14天評估了生物相容性。（B）在第7天和第14天觀察了縫合線結的植入過程，并對包封的縫合線結進行了宏觀檢查。（C）由經驗豐富的病理學家盲目評估植入的原始和TGS縫合線的炎癥程度。（D至K）用蘇木精和曙紅（H＆E）縫合7天的縫線結染色的代表性組織學圖像[原 始（ D和H）；TGS（F和J）]和14天[原始（E和I）；TGS（G和K）]。（L）用原始和TGS縫線縫合的切口傷口的示意圖，以及在第7天的組織學切片（紅色虛線）。

【總結】

團隊報道了一種具有生物啟發性的設計和方法， 可以牢固地整合臨床上使用的外科手術縫合線，堅韌的水凝膠和各種功能材料。在縫合線 -護套界面處實現了牢固的粘合，并通過廣泛的實驗表征和計算仿真得到了證實。開發了一系列的TGS縫合線，這些縫合線實現了卓越的生物力學性能和多種功能。TGS縫線在不影響拉伸強度的情況下，表現出組織狀的剛度，低阻力和在接觸組織上的摩擦力。縫合線護套提供了多功能平臺，可將縫合線與功能材料融合在一起，以進行診斷，監視和治療功能。 在一個用于高級傷口管理的平臺上，展示了抗感染，傷口床pH感應，藥物輸送 和 NIR生物成像的應用。TGS的輕而易舉的出現表明其他基于纖維的設備（如紡織品和織物）具有廣泛的設計靈活性。該平臺是集成水凝膠技術，功能材料和基于纖維的設備以開發下一代多功能材料的重要一步。這項工作將為外科工具，可穿戴和可植入設備，軟機器人以及纖維和紡織材料的開發開辟新的途徑。

參考文獻 ：

Science Advances 07 Apr 2021:

Vol. 7, no. 15, eabc3012

DOI: 10.1126/sciadv.abc3012

版權聲明：「 高分子材料科學 」是由專業博士（后）創辦的公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！