麦吉尔大学李剑宇《Science Advances》受生物启发的坚硬凝胶护套，可实现强大而多功能的表面功能化

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关注 2021年4月13日 14:42

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【科研摘要】

缝合线遍布外科手术 ，但是其性能受到与组织的机械不匹配以及缺乏先进功能的限制。现有的修改策略会导致缝线的整体性能下降，或者导致易破裂或分层的薄涂层。受腱肌腱鞘的启发，最近， 麦吉尔大学 李剑宇助理教授 团队 在《 Science Advances 》上发表了题为 Bioinspired tough gel sheath for robust and versatile surface functionalization 的论文，团队报告了一种多功能策略，可对基于纤维的设备（例如缝合线）进行功能化。这种策略 将手术缝合线，坚硬的凝胶护套和各种功能材料无缝地结合在一起。强大的界面附着力（ > 2000 J m ^-2 ）表现出强大的改性能力。

与组织连接时，缝合线的表面刚度，摩擦力和阻力可以显着降低，而不会影响拉伸强度。然后介绍了用于预防感染，伤口监测，药物输送和近红外成像的多功能缝合 线。该平台技术适用于其他基于纤维的设备，预计会影响从伤口处理到智能纺织品的广泛技术领域。

【主图导读】

图 1 TGS缝合线的生物启发设计。 （ A）肌腱和（B）TGS缝合线的结构和材料设计示意图。（C）TGS缝合线和（D）缝合线-鞘界面的放大电子扫描图像。比例尺100（C）和25μm（D）。（E）TGS缝线的明场图像。比例尺，500μm。（F）使用TGS缝线在猪皮肤上连续缝合。比例尺，1厘米。

图 2 TGS和缝合线的牢固附着力。 从用聚乳酸 910缝合线和不同水凝胶形成的凝胶护套缝合线的拉出试验[插入（A）]中测量的代表性力-位移曲线（A）和粘附能（B）。（C）附着力与NaOH处理时间的关系。（D）归一化粘附能（Γ/Γ ₀ ）的FEM结果，该能量随鞘厚度和缝合线半径之比（r _g /r _s ）的变化而变化。TGS缝合线的牵伸试验（E）的力位移曲线（E）和粘着能（F）包括各种缝合线材料，包括聚乳酸910（PLGA），平肠和尼龙。

图 3改进的TGS缝合线的生物力学性能。 （ A）原始缝合线和TGS缝合线（polyglactin 910）的应力-应变曲线。（B）在TGS缝合线表面上测量的代表性微压痕力-压痕深度曲线。（C）组织阻力测试的示意图。（D）原始和TGS缝合线的代表性阻力力-位移曲线。（E）与各种组织（心脏，皮肤和肝脏）相接的缝合线（原始或TGS）的阻力系数。（F）放置在关节软骨上的缝线的离体摩擦试验示意图，其中PDMS用作基底。（G）和计算出的摩擦系数（H）。

图 4通用的TGS缝线功能化。 （ A）接种到原始或TGS缝合线上的细菌（铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌）的活（绿色）/死（红色）测定的代表性荧光图像。比例尺，10μm。（B）原始或TGS缝合线上的细菌附着总数。（C）在装有BZK的TGS缝合线上杀死了超过99％的细菌。浸入具有不同pH值的溶液中的pH敏感TGS缝线的代表性图像（D）和定量变色测定（以灰度显示）（E）。图片来源：麦吉尔大学马振伟。（F）FITC-BSA从原始或TGS缝合线的7天标准化累积释放曲线。（G）原始或TGS缝合线的BSA装载量 。

图 5用于NIR生物成像的荧光缝合线。 （ A ）mSiO ₂ @ PbS/CdS-Fe ₃ O ₄ 荧光NP的代表性透射电子显微镜（TEM ） 图像。比例尺，50 nm。（B）在NIR-II窗口中mSiO ₂ @ PbS/CdS-Fe ₃ O ₄ 的荧光发射光谱。（C）体外实验设置的示意图，用于表征猪组织后荧光NP加载的TGS缝合线的光致发光渗透。（D）在不同厚度的组织下，TGS缝线的代表性荧光图像（上图）和归一化强度（下图）。

图 6原始和TGS缝合线的体内生物相容性和伤口闭合。 （ A）缝线结皮下植入的示意图。在第7天和第14天评估了生物相容性。（B）在第7天和第14天观察了缝合线结的植入过程，并对包封的缝合线结进行了宏观检查。（C）由经验丰富的病理学家盲目评估植入的原始和TGS缝合线的炎症程度。（D至K）用苏木精和曙红（H＆E）缝合7天的缝线结染色的代表性组织学图像[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缝线缝合的切口伤口的示意图，以及在第7天的组织学切片（红色虚线）。

【总结】

团队报道了一种具有生物启发性的设计和方法， 可以牢固地整合临床上使用的外科手术缝合线，坚韧的水凝胶和各种功能材料。在缝合线 -护套界面处实现了牢固的粘合，并通过广泛的实验表征和计算仿真得到了证实。开发了一系列的TGS缝合线，这些缝合线实现了卓越的生物力学性能和多种功能。TGS缝线在不影响拉伸强度的情况下，表现出组织状的刚度，低阻力和在接触组织上的摩擦力。缝合线护套提供了多功能平台，可将缝合线与功能材料融合在一起，以进行诊断，监视和治疗功能。 在一个用于高级伤口管理的平台上，展示了抗感染，伤口床pH感应，药物输送 和 NIR生物成像的应用。TGS的轻而易举的出现表明其他基于纤维的设备（如纺织品和织物）具有广泛的设计灵活性。该平台是集成水凝胶技术，功能材料和基于纤维的设备以开发下一代多功能材料的重要一步。这项工作将为外科工具，可穿戴和可植入设备，软机器人以及纤维和纺织材料的开发开辟新的途径。

参考文献 ：

Science Advances 07 Apr 2021:

Vol. 7, no. 15, eabc3012

DOI: 10.1126/sciadv.abc3012

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